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Archivos mensuales: mayo 2022

Evaluación de arañazos y desgaste en revestimientos industriales

REVESTIMIENTO INDUSTRIAL

EVALUACIÓN DEL RAYADO Y EL DESGASTE MEDIANTE UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, PhD & ANDREA HERRMANN

INTRODUCCIÓN

La pintura de uretano acrílico es un tipo de revestimiento protector de secado rápido muy utilizado en diversas aplicaciones industriales, como pintura para suelos, pintura para automóviles y otras. Cuando se utiliza como pintura para suelos, puede servir para zonas con mucho tráfico peatonal y de ruedas de goma, como pasarelas, bordillos y aparcamientos.

IMPORTANCIA DE LAS PRUEBAS DE RAYADO Y DESGASTE PARA EL CONTROL DE CALIDAD

Tradicionalmente, los ensayos de abrasión Taber se llevaban a cabo para evaluar la resistencia al desgaste de la pintura acrílica de uretano para suelos según la norma ASTM D4060. Sin embargo, como se menciona en la norma, "Para algunos materiales, los ensayos de abrasión que utilizan el abrasivo Taber pueden estar sujetos a variaciones debido a cambios en las características abrasivas de la rueda durante el ensayo".1 Esto puede dar lugar a una mala reproducibilidad de los resultados del ensayo y crear dificultades a la hora de comparar los valores comunicados por diferentes laboratorios. Además, en los ensayos de abrasión Taber, la resistencia a la abrasión se calcula como la pérdida de peso en un número determinado de ciclos de abrasión. Sin embargo, las pinturas acrílicas de uretano para suelos tienen un espesor de película seca recomendado de 37,5-50 μm2.

El agresivo proceso de abrasión de Taber Abraser puede desgastar rápidamente el revestimiento de uretano acrílico y crear pérdidas de masa en el sustrato, lo que provoca errores sustanciales en el cálculo de la pérdida de peso de la pintura. La implantación de partículas abrasivas en la pintura durante el ensayo de abrasión también contribuye a los errores. Por lo tanto, una medición cuantificable y fiable bien controlada es crucial para garantizar una evaluación reproducible del desgaste de la pintura. Además, la prueba de resistencia al rayado permite a los usuarios detectar fallos prematuros de adhesivo/adhesivo en aplicaciones reales.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, demostramos que NANOVEA Tribómetros y Comprobadores mecánicos son ideales para la evaluación y el control de calidad de los revestimientos industriales.

El proceso de desgaste de las pinturas acrílicas de uretano para suelos con diferentes capas de acabado se simula de forma controlada y monitorizada utilizando el tribómetro NANOVEA. El ensayo de microarañazos se utiliza para medir la carga necesaria para provocar el fallo cohesivo o adhesivo de la pintura.

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PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

Este estudio evalúa cuatro revestimientos acrílicos al agua para suelos disponibles en el mercado que tienen la misma imprimación (capa base) y diferentes capas de acabado de la misma fórmula con una pequeña alternancia en las mezclas de aditivos con el fin de mejorar la durabilidad. Estos cuatro revestimientos se identifican como Muestras A, B, C y D.

PRUEBA DE DESGASTE

Se aplicó el tribómetro NANOVEA para evaluar el comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste. Se aplicó una punta de bola SS440 (6 mm de diámetro, Grado 100) contra las pinturas ensayadas. El COF se registró in situ. La tasa de desgaste, K, se evaluó mediante la fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), 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 pista de desgaste se evaluaron mediante el programa NANOVEA Perfilómetro ópticoy la morfología de la huella de desgaste se examinó con un microscopio óptico.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE DESGASTE

FUERZA NORMAL

20 N

VELOCIDAD

15 m/min

DURACIÓN DE LA PRUEBA

100, 150, 300 y 800 ciclos

PRUEBA DE RAYADO

Se utilizó el NANOVEA Mechanical Tester equipado con un palpador de diamante Rockwell C (200 μm de radio) para realizar ensayos de rayado con carga progresiva en las muestras de pintura utilizando el modo Micro Scratch Tester. Se utilizaron dos cargas finales: 5 N de carga final para investigar la deslaminación de la pintura de la imprimación, y 35 N para investigar la deslaminación de la imprimación de los sustratos metálicos. Se repitieron tres pruebas en las mismas condiciones en cada muestra para garantizar la reproducibilidad de los resultados.

Se generaron automáticamente imágenes panorámicas de toda la longitud de los arañazos y el software del sistema correlacionó sus ubicaciones críticas de fallo con las cargas aplicadas. Esta función del software facilita a los usuarios la realización de análisis de las pistas de rayado en cualquier momento, en lugar de tener que determinar la carga crítica bajo el microscopio inmediatamente después de los ensayos de rayado.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE RAYADO

TIPO DE CARGAProgresiva
CARGA INICIAL0,01 mN
CARGA FINAL5 N / 35 N
TASA DE CARGA10 / 70 N/min
LONGITUD DEL RASPADO3 mm
velocidad de rayado, dx/dt6,0 mm/min
GEOMETRÍA DEL PENETRADORCono de 120
MATERIAL INDENTADOR (punta)Diamante
RADIO DE LA PUNTA DEL PENETRADOR200 μm

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DESGASTE

Se realizaron cuatro ensayos de desgaste pin-on-disk a diferentes números de revoluciones (100, 150, 300 y 800 ciclos) en cada muestra para monitorizar la evolución del desgaste. La morfología superficial de las muestras se midió con un perfilador sin contacto NANOVEA 3D para cuantificar la rugosidad superficial antes de realizar las pruebas de desgaste. Todas las muestras tenían una rugosidad superficial comparable de aproximadamente 1 μm como se muestra en la FIGURA 1. El COF se registró in situ durante las pruebas de desgaste como se muestra en la FIGURA 2. En la FIGURA 4 se presenta la evolución de las huellas de desgaste después de 100, 150, 300 y 800 ciclos, y en la FIGURA 3 se resumió la tasa media de desgaste de las distintas muestras en diferentes etapas del proceso de desgaste.

 

En comparación con un valor de COF de ~0,07 para las otras tres muestras, la Muestra A exhibe un COF mucho más alto de ~0,15 al principio, que aumenta gradualmente y se estabiliza en ~0,3 después de 300 ciclos de desgaste. Un COF tan alto acelera el proceso de desgaste y crea una cantidad sustancial de restos de pintura como se indica en la FIGURA 4 - la capa superior de la Muestra A ha comenzado a ser eliminada en las primeras 100 revoluciones. Como se muestra en la FIGURA 3, la Muestra A presenta la mayor tasa de desgaste de ~5 μm2/N en los primeros 300 ciclos, que disminuye ligeramente a ~3,5 μm2/N debido a la mejor resistencia al desgaste del sustrato metálico. La capa superior de la Muestra C comienza a fallar después de 150 ciclos de desgaste, como se muestra en la FIGURA 4, lo que también se indica por el aumento de COF en la FIGURA 2.

 

En comparación, las muestras B y D muestran mejores propiedades tribológicas. La muestra B mantiene un COF bajo durante toda la prueba: el COF aumenta ligeramente de ~0,05 a ~0,1. Este efecto lubricante mejora sustancialmente su resistencia al desgaste. Este efecto lubricante mejora sustancialmente su resistencia al desgaste: la capa superior sigue proporcionando una protección superior a la imprimación subyacente después de 800 ciclos de desgaste. La tasa media de desgaste más baja de sólo ~0,77 μm2/N se mide para la Muestra B a 800 ciclos. La capa superior de la muestra D empieza a desprenderse después de 375 ciclos, como refleja el brusco aumento del COF en la FIGURA 2. La tasa media de desgaste de la muestra D sigue siendo superior a la de la imprimación después de 800 ciclos de desgaste. La tasa media de desgaste de la muestra D es de ~1,1 μm2/N a 800 ciclos.

 

En comparación con las mediciones de abrasión Taber convencionales, el tribómetro NANOVEA proporciona evaluaciones de desgaste cuantificables y fiables bien controladas que garantizan evaluaciones reproducibles y el control de calidad de las pinturas comerciales para suelos y automóviles. Además, la capacidad de las mediciones de COF in situ permite a los usuarios correlacionar las diferentes etapas de un 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 diversos recubrimientos de pintura.

FIGURA 1: Morfología 3D y rugosidad de las muestras de pintura.

FIGURA 2: COF durante las pruebas pin-on-disk.

FIGURA 3: Evolución de la tasa de desgaste de diferentes pinturas.

FIGURA 4: Evolución de las huellas de desgaste durante las pruebas pin-on-disk.

RESULTADOS DE LA PRUEBA DE RAYADO

La FIGURA 5 muestra, a modo de ejemplo, el gráfico de la fuerza normal, la fuerza de fricción y la profundidad real en función de la longitud del arañazo para la Muestra A. Puede instalarse un módulo opcional de emisión acústica para obtener más información. A medida que la carga normal aumenta linealmente, la punta de indentación se hunde gradualmente en la muestra ensayada, tal como refleja el aumento progresivo de la profundidad verdadera. La variación en las pendientes de las curvas de fuerza de fricción y profundidad real puede utilizarse como una de las implicaciones de que empiezan a producirse fallos en el revestimiento.

FIGURA 5: Fuerza normal, fuerza de fricción y profundidad real en función de la longitud de rayado para ensayo de rayado de la muestra A con una carga máxima de 5 N.

Las FIGURAS 6 y 7 muestran los rayados completos de las cuatro muestras de pintura ensayadas con una carga máxima de 5 N y 35 N, respectivamente. La muestra D requirió una carga superior de 50 N para deslaminar la imprimación. Los ensayos de rayado con una carga final de 5 N (FIGURA 6) evalúan el fallo cohesivo/adhesivo de la pintura superior, mientras que los de 35 N (FIGURA 7) evalúan la deslaminación de la imprimación. Las flechas en las micrografías indican el punto en el que la pintura superior o la imprimación empiezan a desprenderse completamente de la imprimación o del sustrato. La carga en este punto, llamada Carga Crítica, Lc, se utiliza para comparar las propiedades cohesivas o adhesivas de la pintura como se resume en la Tabla 1.

 

Es evidente que la pintura de la Muestra D tiene la mejor adhesión interfacial - exhibiendo los valores más altos de Lc de 4,04 N en la delaminación de la pintura y 36,61 N en la delaminación de la imprimación. La muestra B muestra la segunda mejor resistencia al rayado. A partir del análisis del rayado, mostramos que la optimización de la fórmula de la pintura es crítica para los comportamientos mecánicos, o más específicamente, la resistencia al rayado y la propiedad de adhesión de las pinturas acrílicas para suelos.

Cuadro 1: Resumen de las cargas críticas.

FIGURA 6: Micrografías del rayado completo con una carga máxima de 5 N.

FIGURA 7: Micrografías del rayado completo con una carga máxima de 35 N.

CONCLUSIÓN

En comparación con las mediciones de abrasión Taber convencionales, el NANOVEA Mechanical Tester y el Tribometer son herramientas superiores para la evaluación y el control de calidad de revestimientos de suelos comerciales y de automoción. El NANOVEA Mechanical Tester en modo Scratch puede detectar problemas de adhesión/cohesión en un sistema de revestimiento. El Tribómetro NANOVEA proporciona un análisis tribológico cuantificable y repetible bien controlado sobre la resistencia al desgaste y el coeficiente de fricción de las pinturas.

 

Basándonos en los exhaustivos análisis tribológicos y mecánicos de los revestimientos acrílicos de base acuosa para suelos ensayados en este estudio, demostramos que la Muestra B posee el COF y el índice de desgaste más bajos y la segunda mejor resistencia al rayado, mientras que la Muestra D exhibe la mejor resistencia al rayado y la segunda mejor resistencia al desgaste. Esta evaluación nos permite valorar y seleccionar el mejor candidato en función de las necesidades en diferentes entornos de aplicación.

 

Los módulos Nano y Micro del Comprobador Mecánico NANOVEA incluyen modos de indentación, rayado y desgaste conformes a las normas ISO y ASTM, proporcionando la más amplia gama de pruebas disponibles para la evaluación de pinturas en un solo módulo. El Tribómetro NANOVEA ofrece ensayos de desgaste y fricción precisos y repetibles utilizando modos rotativos y lineales conformes a ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La gama inigualable de NANOVEA es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades mecánicas/tribológicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluida la dureza, el módulo de Young, la tenacidad a la fractura, la adherencia, la resistencia al desgaste y muchas otras. Los perfiladores ópticos sin contacto NANOVEA opcionales están disponibles para obtener imágenes 3D de alta resolución de arañazos y huellas de desgaste, además de otras mediciones de superficies como la rugosidad.

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Medición de la dureza a los arañazos mediante un comprobador mecánico

MEDICIÓN DE LA DUREZA AL RAYADO

UTILIZANDO UN COMPROBADOR MECÁNICO

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

INTRODUCCIÓN

En general, los ensayos de dureza miden la resistencia de los materiales a la deformación permanente o plástica. Existen tres tipos de mediciones de la dureza: dureza al rayado, dureza por indentación y dureza por rebote. El ensayo de dureza al rayado mide la resistencia de un material al rayado y la abrasión debidos a la fricción de un objeto afilado1. Fue desarrollado originalmente por el mineralogista alemán Friedrich Mohs en 1820 y todavía se utiliza ampliamente para clasificar las propiedades físicas de los minerales2. Este método de ensayo también es aplicable a metales, cerámicas, polímeros y superficies recubiertas.

Durante una medición de la dureza al rayado, un palpador de diamante de geometría especificada raya la superficie de un material a lo largo de una trayectoria lineal bajo una fuerza normal constante con una velocidad constante. Se mide la anchura media del rayado y se utiliza para calcular el número de dureza al rayado (HSP). Esta técnica proporciona una solución sencilla para escalar la dureza de diferentes materiales.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, el Probador Mecánico NANOVEA PB1000 se utiliza para medir la dureza al rayado de diferentes metales de acuerdo con ASTM G171-03.

Al mismo tiempo, este estudio muestra la capacidad del NANOVEA Comprobador mecánico en la medición de la dureza al rayado con gran precisión y reproducibilidad.

NANOVEA

PB1000

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nanoindentador y rayador Nanovea PB1000

CONDICIONES DE ENSAYO

El comprobador mecánico NANOVEA PB1000 realizó ensayos de dureza al rayado en tres metales pulidos (Cu110, Al6061 y SS304). Se utilizó un palpador cónico de diamante con un ángulo de vértice de 120° y un radio de punta de 200 µm. Cada muestra se rayó tres veces con los mismos parámetros de ensayo para garantizar la reproducibilidad de los resultados. Los parámetros de prueba se resumen a continuación. Se realizó un barrido de perfil a una carga normal baja de 10 mN antes y después del prueba de resistencia al rayado para medir el cambio en el perfil de la superficie del arañazo.

PARÁMETROS DE PRUEBA

FUERZA NORMAL

10 N

TEMPERATURA

24°C (RT)

VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO

20 mm/min

DISTANCIA DE DESLIZAMIENTO

10 mm

ATMÓSFERA

Aire

RESULTADOS Y DEBATE

Las imágenes de las huellas de rayado de tres metales (Cu110, Al6061 y SS304) después de las pruebas se muestran en la FIGURA 1 con el fin de comparar la dureza de rayado de diferentes materiales. La función de mapeo del software NANOVEA Mechanical se utilizó para crear tres rayados paralelos ensayados bajo la misma condición en un protocolo automatizado. El ancho de la pista de rayado medido y el número de dureza de rayado calculado (HSP) se resumen y comparan en la TABLA 1. Los metales muestran diferentes anchos de pista de desgaste de 174, 220 y 89 µm para Al6061, Cu110 y SS304, respectivamente, dando como resultado un HSP calculado de 0,84, 0,52 y 3,2 GPa.

Además de la dureza al rayado calculada a partir de la anchura de la pista de rayado, se registraron in situ la evolución del coeficiente de fricción (COF), la profundidad real y la emisión acústica durante el ensayo de dureza al rayado. La profundidad real es la diferencia de profundidad entre la profundidad de penetración del palpador durante la prueba de rayado y el perfil de superficie medido en la exploración previa. En la FIGURA 2 se muestran, a modo de ejemplo, el COF, la profundidad real y la emisión acústica del Cu110. Dicha información proporciona información sobre los fallos mecánicos que tienen lugar durante el rayado, lo que permite a los usuarios detectar defectos mecánicos e investigar más a fondo el comportamiento al rayado del material ensayado.

Los ensayos de dureza al rayado pueden finalizarse en un par de minutos con gran precisión y repetibilidad. En comparación con los procedimientos de indentación convencionales, el ensayo de dureza al rayado de este estudio proporciona una solución alternativa para las mediciones de dureza, que resulta útil para el control de calidad y el desarrollo de nuevos materiales.

Al6061

Cu110

SS304

FIGURA 1: Imagen microscópica de las huellas de arañazos tras la prueba (aumento 100x).

 Anchura de la huella del arañazo (μm)HSp (GPa)
Al6061174±110.84
Cu110220±10.52
SS30489±53.20

TABLA 1: Resumen de la anchura de la pista de rayado y del número de dureza del rayado.

FIGURA 2: Evolución del coeficiente de fricción, de la profundidad real y de las emisiones acústicas durante el ensayo de dureza al rayado en Cu110.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos la capacidad del NANOVEA Mechanical Tester para realizar ensayos de dureza al rayado conforme a la norma ASTM G171-03. Además de la adherencia del revestimiento y la resistencia al rayado, el ensayo de rayado con carga constante proporciona una solución alternativa sencilla para comparar la dureza de los materiales. A diferencia de los durómetros de rayado convencionales, los Comprobadores Mecánicos NANOVEA ofrecen módulos opcionales para controlar in situ la evolución del coeficiente de fricción, la emisión acústica y la profundidad real.

Los módulos Nano y Micro de un NANOVEA Mechanical Tester incluyen modos de indentación, rayado y desgaste conformes a ISO y ASTM, proporcionando la gama de ensayos más amplia y fácil de usar disponible en un solo sistema. La gama inigualable de NANOVEA es una solución ideal para determinar la gama completa de propiedades mecánicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluyendo dureza, módulo de Young, tenacidad a la fractura, adhesión, resistencia al desgaste y muchos otros.

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