Medición in situ del desgaste a alta temperatura
Análisis de la superficie de escamas de peces mediante un perfilador óptico 3D
Análisis Mecánico Dinámico (AMD) Barrido de frecuencias en polímeros
Topografía de la lente Fresnel
Inspección de piezas mecanizadas
Evaluación del desgaste por rozamiento
Rodamientos de Bolas: Estudio de Resistencia al Desgaste por Fuerzas Elevadas
INTRODUCCIÓN
Un rodamiento de bolas utiliza bolas para reducir la fricción rotacional y soportar cargas radiales y axiales. Las bolas que ruedan entre las pistas del rodamiento producen un coeficiente de fricción (COF) mucho menor en comparación con dos superficies planas que se deslizan una contra otra. Los rodamientos de bolas suelen estar expuestos a elevados niveles de tensión de contacto, desgaste y condiciones ambientales extremas, como altas temperaturas. Por lo tanto, la resistencia al desgaste de las bolas bajo cargas elevadas y condiciones ambientales extremas es fundamental para prolongar la vida útil del rodamiento de bolas y reducir el coste y el tiempo de las reparaciones y sustituciones.
Los rodamientos de bolas se encuentran en casi todas las aplicaciones que implican piezas móviles. Se utilizan habitualmente en industrias de transporte como la aeroespacial y la automovilística, así como en la industria del juguete, que fabrica artículos como fidget spinner y monopatines.
EVALUACIÓN DEL DESGASTE DE LOS RODAMIENTOS DE BOLAS CON CARGAS ELEVADAS
Los rodamientos de bolas pueden fabricarse con una amplia lista de materiales. Los materiales más utilizados oscilan entre metales como el acero inoxidable y el acero al cromo o cerámicas como el carburo de wolframio (WC) y el nitruro de silicio (Si3n4). Para garantizar que los rodamientos de bolas fabricados poseen la resistencia al desgaste ideal para las condiciones de una aplicación determinada, es necesario realizar evaluaciones tribológicas fiables bajo cargas elevadas. Los ensayos tribológicos ayudan a cuantificar y contrastar los comportamientos de desgaste de diferentes rodamientos de bolas de forma controlada y monitorizada para seleccionar el mejor candidato para la aplicación en cuestión.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En este estudio, mostramos una Nanovea Tribómetro como herramienta ideal para comparar la resistencia al desgaste de diferentes rodamientos de bolas sometidos a cargas elevadas.
Figura 1: Montaje de la prueba de rodamientos.
PROCEDIMIENTO DE PRUEBA
El coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de los rodamientos de bolas fabricados con diferentes materiales se evaluaron mediante un tribómetro Nanovea. Como contramaterial se utilizó papel de lija de grano P100. Las cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas se examinaron utilizando un Nanovea Perfilador 3D sin contacto una vez concluidas las pruebas de desgaste. Los parámetros de las pruebas se resumen en la Tabla 1. La tasa de desgaste, Kse evaluó mediante la fórmula K=V/(F×s)donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal y s es la distancia de deslizamiento. Las cicatrices de desgaste de las bolas se evaluaron mediante un Nanovea Perfilador 3D sin contacto para garantizar una medición precisa del volumen de desgaste.
La función automatizada de posicionamiento radial motorizado permite al tribómetro disminuir el radio de la pista de desgaste durante la duración de una prueba. Este modo de ensayo se denomina ensayo en espiral y garantiza que el rodamiento de bolas se deslice siempre sobre una nueva superficie del papel de lija (figura 2). Mejora significativamente la repetibilidad de la prueba de resistencia al desgaste de la bola. El avanzado codificador de 20 bits para el control interno de la velocidad y el codificador de 16 bits para el control externo de la posición proporcionan información precisa en tiempo real sobre la velocidad y la posición, lo que permite un ajuste continuo de la velocidad de rotación para lograr una velocidad de deslizamiento lineal constante en el contacto.
Tenga en cuenta que el papel de lija de grano P100 se utilizó para simplificar el comportamiento de desgaste entre varios materiales de bolas en este estudio y puede sustituirse por cualquier otra superficie de material. Se puede sustituir por cualquier material sólido para simular el comportamiento de una amplia gama de acoplamientos de materiales en condiciones de aplicación reales, como en líquido o lubricante.
Figura 2: Ilustración de las pasadas en espiral del rodamiento de bolas sobre el papel de lija.
Tabla 1: Parámetros de ensayo de las mediciones de desgaste.
RESULTADOS Y DEBATE
La tasa de desgaste es un factor vital para determinar la vida útil del rodamiento de bolas, mientras que un COF bajo es deseable para mejorar el rendimiento y la eficiencia del rodamiento. La figura 3 compara la evolución del COF de diferentes rodamientos de bolas frente al papel de lija durante las pruebas. La bola de acero al Cr muestra un aumento del COF de ~0,4 durante la prueba de desgaste, en comparación con ~0,32 y ~0,28 para los rodamientos de bolas SS440 y Al2O3. Por otro lado, la bola de WC muestra un COF constante de ~0,2 durante toda la prueba de desgaste. Se puede observar una variación del COF a lo largo de cada prueba, que se atribuye a las vibraciones causadas por el movimiento de deslizamiento de los cojinetes de bolas contra la superficie rugosa del papel de lija.
Figura 3: Evolución del COF durante las pruebas de desgaste.
En la Figura 4 y la Figura 5 se comparan las cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas tras su medición con un microscopio óptico y con el perfilador óptico sin contacto Nanovea, respectivamente, y en la Tabla 2 se resumen los resultados del análisis de la huella de desgaste. El perfilómetro 3D Nanovea determina con precisión el volumen de desgaste de los rodamientos de bolas, lo que permite calcular y comparar las tasas de desgaste de diferentes rodamientos de bolas. Se puede observar que las bolas de acero al Cr y SS440 presentan cicatrices de desgaste aplanadas mucho más grandes en comparación con las bolas de cerámica, es decir, Al2O3 y WC después de las pruebas de desgaste. Las bolas de acero al Cr y SS440 tienen índices de desgaste comparables de 3,7×10-3 y 3,2×10-3 m3/N m, respectivamente. En comparación, la bola de Al2O3 muestra una mayor resistencia al desgaste, con un índice de desgaste de 7,2×10-4 m3/N m. La bola de WC apenas presenta pequeños arañazos en la zona poco profunda de la pista de desgaste, lo que se traduce en un índice de desgaste significativamente reducido de 3,3×10-6 mm3/N m.
Figura 4: Cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas tras las pruebas.
Figura 5: Morfología 3D de las cicatrices de desgaste en los rodamientos de bolas.
Tabla 2: Análisis de las cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas.
La figura 6 muestra imágenes microscópicas de las huellas de desgaste producidas en el papel de lija por los cuatro rodamientos de bolas. Es evidente que la bola de WC produjo la huella de desgaste más severa (eliminando casi todas las partículas de arena en su camino) y posee la mejor resistencia al desgaste. En comparación, las bolas de acero al Cr y SS440 dejaron una gran cantidad de restos metálicos en la huella de desgaste del papel de lija.
Estas observaciones demuestran aún más la importancia de las ventajas de una prueba en espiral. Garantiza que el rodamiento de bolas se deslice siempre sobre una superficie nueva del papel de lija, lo que mejora significativamente la repetibilidad de una prueba de resistencia al desgaste.
Figura 6: Huellas de desgaste en el papel de lija contra diferentes rodamientos de bolas.
CONCLUSIÓN
La resistencia al desgaste de los rodamientos de bolas sometidos a alta presión desempeña un papel vital en su rendimiento de servicio. Los rodamientos de bolas cerámicas poseen una resistencia al desgaste significativamente mayor en condiciones de alta tensión y reducen el tiempo y el coste debidos a la reparación o sustitución de los rodamientos. En este estudio, el rodamiento de bolas de WC presenta una resistencia al desgaste sustancialmente mayor en comparación con los rodamientos de acero, lo que lo convierte en un candidato ideal para aplicaciones de rodamientos en las que se produce un desgaste severo.
El tribómetro Nanovea está diseñado con capacidad de alto par para cargas de hasta 2.000 N y motor preciso y controlado para velocidades de rotación de 0,01 a 15.000 rpm. Ofrece pruebas repetibles de desgaste y fricción mediante modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste y lubricación a alta temperatura disponibles en un sistema preintegrado. Esta gama inigualable permite a los usuarios simular diferentes entornos de trabajo severos de los rodamientos de bolas, incluyendo alta tensión, desgaste y alta temperatura, etc. También actúa como una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de materiales superiores resistentes al desgaste bajo cargas elevadas.
Un perfilador 3D sin contacto Nanovea proporciona mediciones precisas del volumen de desgaste y actúa como una herramienta para analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste, proporcionando información adicional en la comprensión fundamental de los mecanismos de desgaste.
Preparado por
Duanjie Li, PhD, Jonathan Thomas y Pierre Leroux
Herramientas dentales: Análisis dimensional y de rugosidad superficial
INTRODUCCIÓN
Tener unas dimensiones precisas y una rugosidad superficial óptima es vital para la funcionalidad de los tornillos dentales. Muchas dimensiones de los tornillos dentales requieren una gran precisión, como los radios, los ángulos, las distancias y las alturas de los escalones. Comprender la rugosidad de la superficie local también es muy importante para cualquier herramienta o pieza médica que se inserte en el interior del cuerpo humano para minimizar la fricción por deslizamiento.
PERFILOMETRÍA SIN CONTACTO PARA ESTUDIO DIMENSIONAL
Nanovea Perfiladores 3D sin contacto utilizan una tecnología basada en luz cromática para medir cualquier superficie de material: transparente, opaca, especular, difusiva, pulida o rugosa. A diferencia de la técnica de sonda de contacto, la técnica sin contacto puede medir dentro de zonas estrechas y no añadirá errores intrínsecos debidos a la deformación causada por la presión de la punta sobre un material plástico más blando. La tecnología basada en luz cromática también ofrece precisiones laterales y de altura superiores en comparación con la tecnología de variación de enfoque. Los perfiladores Nanovea pueden escanear grandes superficies directamente sin costura y perfilar la longitud de una pieza en pocos segundos. Gracias a la capacidad del perfilador para medir superficies sin necesidad de complejos algoritmos que manipulen los resultados, es posible medir características superficiales de rango nanométrico a macrométrico y ángulos de superficie elevados.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En esta aplicación, se utilizó el perfilómetro óptico Nanovea ST400 para medir un tornillo dental a lo largo de características planas y roscadas en una sola medición. La rugosidad de la superficie se calculó a partir del área plana, y se determinaron varias dimensiones de las características roscadas.
Muestra de tornillo dental analizada por NANOVEA Perfilador óptico.
Muestra de tornillo dental analizada.
RESULTADOS
Superficie 3D
La vista en 3D y la vista en falso color del tornillo dental muestran una zona plana con roscado que comienza a ambos lados. Proporciona a los usuarios una herramienta sencilla para observar directamente la morfología del tornillo desde diferentes ángulos. El área plana se extrajo del escaneado completo para medir su rugosidad superficial.
Análisis de superficies 2D
También pueden extraerse perfiles lineales de la superficie para mostrar una vista transversal del tornillo. El análisis de contornos y los estudios de altura de escalón se utilizaron para medir dimensiones precisas en un lugar determinado del tornillo.
CONCLUSIÓN
En esta aplicación, hemos mostrado la capacidad del Nanovea 3D Non-Contact Profiler para calcular con precisión la rugosidad local de la superficie y medir características de grandes dimensiones en un solo escaneado.
Los datos muestran una rugosidad superficial local de 0,9637 μm. Se determinó que el radio del tornillo entre roscas era de 1,729 mm, y las roscas tenían una altura media de 0,413 mm. Se determinó que el ángulo medio entre las roscas era de 61,3°.
Los datos mostrados aquí representan sólo una parte de los cálculos disponibles en el software de análisis.
Preparado por
Duanjie Li, Doctor, Jonathan Thomas y Pierre Leroux
Cerámica: Mapeo rápido por nanoindentación para la detección de granos
INTRODUCCIÓN
Nanoindentación se ha convertido en una técnica ampliamente aplicada para medir el comportamiento mecánico de los materiales a pequeña escalai ii. Las curvas de carga-desplazamiento de alta resolución de una medición de nanoindentación pueden proporcionar una variedad de propiedades fisicomecánicas, como la dureza, el módulo de Young, la fluencia, la tenacidad a la fractura y muchas otras.
Importancia de la indentación cartográfica rápida
Uno de los principales obstáculos a la popularización de la técnica de nanoindentación es el tiempo que requiere. Un mapeo de propiedades mecánicas mediante el procedimiento convencional de nanoindentación puede llevar fácilmente horas, lo que dificulta la aplicación de la técnica en industrias de producción en masa, como la de semiconductores, aeroespacial, MEMS, productos de consumo como baldosas cerámicas y muchas otras.
La cartografía rápida puede resultar esencial en la industria de fabricación de baldosas cerámicas. Las cartografías de dureza y módulo de Young en una sola baldosa cerámica pueden presentar una distribución de datos que indique el grado de homogeneidad de la superficie. Las regiones más blandas de una baldosa se pueden delinear en este mapeo y mostrar los lugares más propensos a fallar por impactos físicos que ocurren en el día a día en la residencia de alguien. Las cartografías pueden realizarse en diferentes tipos de baldosas para estudios comparativos y en un lote de baldosas similares para medir la consistencia de las baldosas en un proceso de control de calidad. La combinación de configuraciones de medición puede ser amplia, precisa y eficaz con el método de mapeo rápido.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En este estudio, el Nanovea Comprobador mecánicoen modo FastMap se utiliza para mapear la propiedad mecánica de una baldosa a altas velocidades. Mostramos la capacidad del Nanovea Mechanical Tester para realizar dos mapeados rápidos por nanoindentación con gran precisión y reproducibilidad.
Condiciones de la prueba
El Nanovea Mechanical Tester se utilizó para realizar una serie de nanoindentaciones con el modo FastMap en una baldosa utilizando un indentador Berkovich. Los parámetros de la prueba se resumen a continuación para las dos matrices de indentación creadas.
Cuadro 1: Resumen de los parámetros de ensayo.
RESULTADOS Y DEBATE
Figura 1: Vista 2D y 3D de la cartografía de la dureza por indentación 625.
Figura 2: Micrografía de la matriz de 625 indentación que muestra el grano.
Se llevó a cabo una matriz de 625 indentaciones en un 0,20 mm2 zona con una gran veta visible. Este grano (Figura 2) tenía una dureza media inferior a la superficie general de la baldosa. El software Nanovea Mechanical permite al usuario ver el mapa de distribución de la dureza en los modos 2D y 3D que se representan en la Figura 1. Utilizando el control de posición de alta precisión de la platina de muestras, el software permite a los usuarios seleccionar áreas como éstas para realizar un mapeo en profundidad de las propiedades mecánicas.
Figura 3: Vista 2D y 3D de la cartografía de dureza de 1600 indentaciones.
Figura 4: Micrografía de la matriz de 1600 sangrías.
También se creó una matriz de 1600 indentaciones en la misma baldosa para medir la homogeneidad de la superficie. También en este caso el usuario tiene la posibilidad de ver la distribución de la dureza en modo 3D o 2D (Figura 3), así como la imagen microscópica de la superficie indentada. Basándose en la distribución de dureza presentada, se puede concluir que el material es poroso debido a la dispersión uniforme de puntos de datos de dureza alta y baja.
En comparación con los procedimientos de nanoindentación convencionales, el modo FastMap de este estudio requiere mucho menos tiempo y es más rentable. Permite un rápido mapeo cuantitativo de las propiedades mecánicas, incluyendo la dureza y el módulo de Young, y proporciona una solución para la detección de grano y la consistencia del material, que es fundamental para el control de calidad de una variedad de materiales en la producción en masa.
CONCLUSIÓN
En este estudio, demostramos la capacidad del Nanovea Mechanical Tester para realizar mapas de nanoindentación rápidos y precisos utilizando el modo FastMap. Los mapas de propiedades mecánicas de la baldosa cerámica utilizan el control de posición (con una precisión de 0,2 µm) de las etapas y la sensibilidad del módulo de fuerza para detectar granos superficiales y medir la homogeneidad de una superficie a gran velocidad.
Los parámetros de ensayo utilizados en este estudio se determinaron en función del tamaño de la matriz y del material de la muestra. Se pueden elegir diversos parámetros de ensayo para optimizar el tiempo total del ciclo de indentación a 3 segundos por indentación (o 30 segundos por cada 10 indentaciones).
Los módulos Nano y Micro del Nanovea Mechanical Tester incluyen modos de indentación, rayado y desgaste conformes con las normas ISO y ASTM, lo que proporciona 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 toda la gama de propiedades mecánicas 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.
Además, se dispone de un perfilador 3D sin contacto y un módulo AFM opcionales para obtener imágenes 3D de alta resolución de la indentación, el rayado y la huella de desgaste, además de otras mediciones de superficies como la rugosidad.
Autor: Duanjie Li, PhD Revisado por Pierre Leroux & Jocelyn Esparza
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