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Dureza de los arañazos a alta temperatura mediante un tribómetro

DUREZA AL RAYADO A ALTA TEMPERATURA

UTILIZANDO UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE, PhD

INTRODUCCIÓN

La dureza mide la resistencia de los materiales a la deformación permanente o plástica. Desarrollado originalmente por el mineralogista alemán Friedrich Mohs en 1820, el ensayo de dureza al rayado determina la dureza de un material a los arañazos y a la abrasión debida a la fricción de un objeto afilado1. La escala de Mohs es un índice comparativo más que una escala lineal, por lo que se desarrolló una medición de la dureza al rayado más precisa y cualitativa, como se describe en la norma ASTM G171-032. Mide la anchura media del rayado creado por un palpador de diamante y calcula el número de dureza del rayado (HSP).

IMPORTANCIA DE LA MEDICIÓN DE LA DUREZA AL RAYADO A ALTAS TEMPERATURAS

Los materiales se seleccionan en función de los requisitos de servicio. Para las aplicaciones que implican cambios de temperatura significativos y gradientes térmicos, es fundamental investigar las propiedades mecánicas de los materiales a altas temperaturas para ser plenamente conscientes de los límites mecánicos. Los materiales, especialmente los polímeros, suelen ablandarse a altas temperaturas. Muchos de los fallos mecánicos se deben a la deformación por fluencia y a la fatiga térmica que sólo tienen lugar a temperaturas elevadas. Por lo tanto, es necesario disponer de una técnica fiable para medir la dureza a altas temperaturas con el fin de garantizar una selección adecuada de los materiales para aplicaciones a alta temperatura.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, el Tribómetro NANOVEA T50 mide la dureza al rayado de una muestra de teflón a diferentes temperaturas, desde la temperatura ambiente hasta los 300ºC. La capacidad de realizar mediciones de dureza al rayado a alta temperatura hace que el Tribómetro NANOVEA sea un sistema versátil para evaluaciones tribológicas y mecánicas de materiales para aplicaciones de alta temperatura.

NANOVEA

T50

CONDICIONES DE PRUEBA

El tribómetro estándar de peso libre NANOVEA T50 se utilizó para realizar las pruebas de dureza al rayado en una muestra de teflón a temperaturas que van desde la temperatura ambiente (RT) hasta los 300°C. El teflón tiene un punto de fusión de 326,8°C. Se utilizó un palpador cónico de diamante con un ángulo de vértice de 120° y un radio de punta de 200 µm. La muestra de teflón se fijó en la platina giratoria de la muestra con una distancia de 10 mm al centro de la platina. La muestra se calentó en un horno y se probó a las temperaturas de RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C y 300°C.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA

de la medición de la dureza al rayado a alta temperatura

FUERZA NORMAL 2 N
VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO 1 mm/s
DISTANCIA DE DESLIZAMIENTO 8mm por temp.
ATMOSFERA Aire
TEMPERATURA RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la FIGURA 1 se muestran los perfiles de la pista de rayado de la muestra de teflón a diferentes temperaturas con el fin de comparar la dureza del rayado a diferentes temperaturas elevadas. La acumulación de material en los bordes de la pista de rayado se forma a medida que el palpador se desplaza con una carga constante de 2 N y penetra en la muestra de teflón, empujando y deformando el material de la pista de rayado hacia un lado.

Las huellas de arañazos se examinaron bajo el microscopio óptico como se muestra en la FIGURA 2. Los anchos de las pistas de rayado medidos y los números de dureza de rayado (HSP) calculados se resumen y comparan en la FIGURA 3. El ancho de la pista de rayado medido por el microscopio coincide con el medido mediante el NANOVEA Profiler: la muestra de teflón presenta un ancho de rayado mayor a temperaturas más altas. La anchura de la pista de rayado aumenta de 281 a 539 µm a medida que la temperatura se eleva de RT a 300oC, lo que resulta en una disminución de la HSP de 65 a 18 MPa.

La dureza al rayado a temperaturas elevadas puede medirse con alta precisión y repetibilidad utilizando el Tribómetro NANOVEA T50. Proporciona una solución alternativa a otras mediciones de dureza y convierte a los tribómetros NANOVEA en un sistema más completo para las evaluaciones tribo-mecánicas integrales a alta temperatura.

FIGURA 1: Perfiles de huellas de arañazos después de las pruebas de dureza de arañazos a diferentes temperaturas.

FIGURA 2: Huellas de arañazos bajo el microscopio tras las mediciones a diferentes temperaturas.

FIGURA 3: Evolución de la anchura de la pista de rayado y de la dureza del rayado en función de la temperatura.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos cómo el tribómetro NANOVEA mide la dureza al rayado a temperaturas elevadas de acuerdo con la norma ASTM G171-03. El ensayo de dureza al rayado con carga constante proporciona una solución alternativa sencilla para comparar la dureza de los materiales utilizando el tribómetro. La capacidad de realizar mediciones de dureza al rayado a temperaturas elevadas hace del Tribómetro NANOVEA una herramienta ideal para evaluar las propiedades tribo-mecánicas de los materiales a altas temperaturas.

El tribómetro NANOVEA también ofrece pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. Hay disponible un perfilador 3D sin contacto opcional para obtener imágenes 3D de alta resolución de las huellas de desgaste, además de otras mediciones de superficie como la rugosidad.

1 Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009). "Pruebas de rayado de metales y polímeros: Experiments and numerics". Wear 266 (1-2): 76
2 ASTM G171-03 (2009), "Método de ensayo estándar para la dureza al rayado de los materiales utilizando un estilete de diamante"

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Inspección de la superficie de la soldadura con un perfilómetro 3D portátil

Inspección de superficie WELd

utilizando un perfilómetro 3d portátil

Preparado por

CRAIG LEISING

INTRODUCCIÓN

Puede llegar a ser crítico que una soldadura en particular, que normalmente se realiza mediante inspección visual, se investigue con un nivel de precisión extremo. Las áreas específicas de interés para un análisis preciso incluyen las grietas superficiales, la porosidad y los cráteres sin rellenar, independientemente de los procedimientos de inspección posteriores. Las características de la soldadura, como la dimensión/forma, el volumen, la rugosidad, el tamaño, etc., pueden medirse para una evaluación crítica.

IMPORTANCIA DEL PERFILÓMETRO 3D SIN CONTACTO PARA LA INSPECCIÓN DE LA SUPERFICIE DE LA SOLDADURA

A diferencia de otras técnicas, como las sondas de contacto o la interferometría, el perfilómetro sin contacto NANOVEA 3D, que utiliza el cromatismo axial, puede medir casi cualquier superficie, los tamaños de las muestras pueden variar ampliamente debido a la puesta en escena abierta y no es necesario preparar la muestra. Durante la medición del perfil de la superficie se obtiene un rango de nano a macro con cero influencia de la reflectividad o absorción de la muestra, tiene una capacidad avanzada para medir altos ángulos de superficie y no hay manipulación de los resultados por parte del software. Mide fácilmente cualquier material: transparente, opaco, especular, difusivo, pulido, rugoso, etc. Las capacidades 2D y 2D de los perfilómetros portátiles NANOVEA los convierten en instrumentos ideales para la inspección completa de superficies de soldadura tanto en el laboratorio como en el campo.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el perfilador portátil NANOVEA JR25 se utiliza para medir la rugosidad de la superficie, la forma y el volumen de una soldadura, así como el área circundante. Esta información puede proporcionar información crítica para investigar adecuadamente la calidad de la soldadura y el proceso de soldadura.

NANOVEA

JR25

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS

La imagen siguiente muestra la vista completa en 3D de la soldadura y la zona circundante junto con los parámetros de la superficie de la soldadura únicamente. A continuación se muestra el perfil de la sección transversal en 2D.

la muestra

Con el perfil de la sección transversal 2D anterior eliminado del 3D, la información dimensional de la soldadura se calcula a continuación. Superficie y volumen de material calculado para la soldadura sólo a continuación.

 AGUJEROPEAK
SUPERFICIE1,01 mm214,0 mm2
VOLUMEN8,799e-5 mm323,27 mm3
PROFUNDIDAD/ALTURA MÁXIMA0,0276 mm0,6195 mm
PROFUNDIDAD/ALTURA MEDIA 0,004024 mm 0,2298 mm

CONCLUSIÓN

En esta aplicación, hemos mostrado cómo el perfilador sin contacto NANOVEA 3D puede caracterizar con precisión las características críticas de una soldadura y la superficie circundante. A partir de la rugosidad, las dimensiones y el volumen, se puede determinar un método cuantitativo para la calidad y la repetibilidad y o investigar más a fondo. Las soldaduras de muestra, como el ejemplo de esta nota de aplicación, pueden analizarse fácilmente, con un NANOVEA Profiler estándar de sobremesa o portátil para pruebas internas o de campo

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Evaluación de arañazos y desgaste de los revestimientos industriales

REVESTIMIENTO INDUSTRIAL

EVALUACIÓN DE ARAÑAZOS Y 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 la pintura para suelos, la pintura para automóviles y otras. Cuando se utiliza como pintura para suelos, puede servir para zonas con mucho tráfico de personas y 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 de uretano acrílico 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 abrasador Taber pueden estar sujetos a variaciones debido a los 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 de uretano acrílico 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 una pérdida de masa en el sustrato, lo que conduce a 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, el ensayo de rayado permite a los usuarios detectar fallos prematuros de adhesivo/cohesión en aplicaciones reales.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

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

NANOVEA T100

El Tribómetro Neumático Compacto

NANOVEA PB1000

El comprobador mecánico de plataforma grande

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

Este estudio evalúa cuatro revestimientos acrílicos de base acuosa 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 probadas. 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 de la sección 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 con el perfilómetro óptico NANOVEA, y la morfología de la pista 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 RASPADO

El probador mecánico NANOVEA equipado con un palpador de diamante Rockwell C (200 μm de radio) se utilizó para realizar ensayos de rayado de carga progresiva en las muestras de pintura utilizando el modo de micro rayado. 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 de ensayo 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 realizar el 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 RASCADO

TIPO DE CARGAProgresiva
CARGA INICIAL0,01 mN
CARGA FINAL5 N / 35 N
TASA DE CARGA10 / 70 N/min
LONGITUD DEL RASPADO3 mm
VELOCIDAD DE RASGADO, dx/dt6,0 mm/min
GEOMETRÍA DEL PENETRADORCono de 120º
MATERIAL INDENTADO (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 controlar la evolución del desgaste. La morfología de la superficie de las muestras se midió con un perfilador sin contacto NANOVEA 3D para cuantificar la rugosidad de la superficie 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 resume 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 presenta 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 considerable de restos de pintura, como se indica en la FIGURA 4: la capa superior de la muestra A ha empezado a eliminarse 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 del COF en la FIGURA 2.

 

En comparación, la muestra B y la muestra 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: la capa superior sigue proporcionando una protección superior a la imprimación inferior después de 800 ciclos de desgaste. La tasa de desgaste media más baja, de sólo ~0,77 μm2/N, se mide para la muestra B a los 800 ciclos. La capa superior de la Muestra D comienza a deslaminar después de 375 ciclos, como se refleja en el aumento abrupto del COF en la FIGURA 2. La tasa de desgaste media 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 bien controladas, cuantificables y fiables, 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 cual es crítico para mejorar la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de varios 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 de pasador sobre disco.

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DESGASTE

La FIGURA 5 muestra 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 como ejemplo. Se puede instalar 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, como se refleja en el aumento progresivo de la profundidad real. La variación de 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.

La FIGURA 6 y la FIGURA 7 muestran los arañazos 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 mayor 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 - mostrando 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 de los arañazos, mostramos que la optimización de la fórmula de la pintura es fundamental para los comportamientos mecánicos, o más específicamente, la resistencia al rayado y la propiedad de adhesión de las pinturas acrílicas para suelos.

Tabla 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 los revestimientos comerciales para suelos y automóviles. El NANOVEA Mechanical Tester en modo de rascado 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 recubrimientos acrílicos de base acuosa para suelos probados en este estudio, demostramos que la muestra B posee el menor índice de COF y de desgaste y la segunda mejor resistencia al rayado, mientras que la muestra D presenta la mejor resistencia al rayado y la segunda mejor resistencia al desgaste. Esta valoración nos permite evaluar 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 todos los modos de indentación, rayado y desgaste que cumplen con las normas ISO y ASTM, proporcionando la más amplia gama de pruebas disponibles para la evaluación de la pintura en un solo módulo. El Tribómetro NANOVEA ofrece pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con las normas 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, incluyendo la dureza, el módulo de Young, la tenacidad a la fractura, la adhesión, la resistencia al desgaste y muchas otras. Hay disponibles perfiladores ópticos sin contacto NANOVEA opcionales para obtener imágenes en 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 de los arañazos mediante un probador mecánico

MEDICIÓN DE LA DUREZA AL RAYADO

UTILIZANDO UN PROBADOR MECÁNICO

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

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: la dureza al rayado, la dureza por indentación y la dureza por rebote. El ensayo de dureza al rayado mide la resistencia de un material al rayado y a 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 los metales, la cerámica, los polímeros y las superficies recubiertas.

Durante la 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 la norma ASTM G171-03.

Al mismo tiempo, este estudio muestra la capacidad del Probador Mecánico NANOVEA para realizar mediciones de dureza al rayado con alta precisión y reproducibilidad.

NANOVEA

PB1000

CONDICIONES DE PRUEBA

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 la prueba se resumen a continuación. Se realizó un barrido de perfil a una carga normal baja de 10 mN antes y después de la prueba de rayado para medir el cambio en el perfil de la superficie del rayado.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA

FUERZA NORMAL

10 N

TEMPERATURA

24°C (RT)

VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO

20 mm/min

DISTANCIA DE DESLIZAMIENTO

10 mm

ATMOSFERA

Aire

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

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 del rayado de los diferentes materiales. La función de mapeo del software NANOVEA Mechanical se utilizó para crear tres rasguños paralelos ensayados bajo la misma condición en un protocolo automatizado. La anchura de la pista de rayado medida 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 del rayado calculada a partir de la anchura de la pista de rayado, la evolución del coeficiente de fricción (COF), la profundidad real y la emisión acústica se registraron in situ durante la prueba de dureza del rayado. La profundidad real es la diferencia de profundidad entre la profundidad de penetración del palpador durante el ensayo de rayado y el perfil de la superficie medido en la exploración previa. El COF, la profundidad real y la emisión acústica del Cu110 se muestran en la FIGURA 2 como ejemplo. Esta información proporciona una visión de 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 de rayado del material ensayado.

Los ensayos de dureza por rayado pueden terminarse en un par de minutos con gran precisión y repetibilidad. En comparación con los procedimientos de indentación convencionales, el ensayo de dureza por 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 después de la prueba (aumento de 100x).

 Ancho de la pista de rascado (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: La evolución del coeficiente de fricción, la profundidad real y 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 de acuerdo con la norma ASTM G171-03. Además de la adhesión 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 comprobadores de dureza al rayado convencionales, los comprobadores mecánicos NANOVEA ofrecen módulos opcionales para controlar la evolución del coeficiente de fricción, la emisión acústica y la profundidad real in situ.

Los módulos Nano y Micro de un Comprobador Mecánico NANOVEA incluyen modos de indentación, rayado y desgaste que cumplen con las normas 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 toda la gama de propiedades mecánicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluyendo la dureza, el módulo de Young, la tenacidad a la fractura, la adhesión, la resistencia al desgaste y muchas otras.

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Prueba de rayado del revestimiento de nitruro de titanio

ENSAYO DE RAYADO DEL REVESTIMIENTO DE NITRURO DE TITANIO

INSPECCIÓN DE CONTROL DE CALIDAD

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

La combinación de alta dureza, excelente resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión e inercia hace que el nitruro de titanio (TiN) sea un revestimiento protector ideal para los componentes metálicos de diversas industrias. Por ejemplo, la retención de los bordes y la resistencia a la corrosión de un revestimiento de TiN pueden aumentar considerablemente la eficacia del trabajo y prolongar la vida útil de las máquinas herramienta, como las cuchillas de afeitar, los cortadores de metal, los moldes de inyección y las sierras. Su gran dureza, inercia y no toxicidad hacen del TiN un gran candidato para aplicaciones en dispositivos médicos, como implantes e instrumentos quirúrgicos.

IMPORTANCIA DE LAS PRUEBAS DE ROTURA DEL RECUBRIMIENTO DE TiN

La tensión residual en los revestimientos protectores de PVD/CVD desempeña un papel fundamental en el rendimiento y la integridad mecánica del componente revestido. La tensión residual proviene de varias fuentes principales, como la tensión de crecimiento, los gradientes térmicos, las limitaciones geométricas y la tensión de servicio¹. El desajuste de la expansión térmica entre el revestimiento y el sustrato creado durante la deposición del revestimiento a temperaturas elevadas da lugar a una elevada tensión residual térmica. Además, las herramientas con revestimiento de TiN se utilizan a menudo bajo tensiones concentradas muy elevadas, por ejemplo, en brocas y cojinetes. Es fundamental desarrollar un proceso de control de calidad fiable para inspeccionar cuantitativamente la resistencia cohesiva y adhesiva de los revestimientos funcionales de protección.

[1] V. Teixeira, Vacuum 64 (2002) 393-399.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, demostramos que los probadores mecánicos NANOVEA en modo de rascado son ideales para evaluar la fuerza cohesiva/adhesiva de los revestimientos protectores de TiN de forma controlada y cuantitativa.

NANOVEA

PB1000

CONDICIONES DE PRUEBA

Se utilizó el probador mecánico NANOVEA PB1000 para realizar pruebas de rayado de revestimiento en tres revestimientos de TiN utilizando los mismos parámetros de prueba que se resumen a continuación:

MODO DE CARGA: Lineal progresivo

CARGA INICIAL

0.02 N

CARGA FINAL

10 N

TASA DE CARGA

20 N/min

LONGITUD DEL RASPADO

5 mm

TIPO DE INDENTADOR

Sphero-Conical

Diamante, 20 μm de radio

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La FIGURA 1 muestra la evolución registrada de la profundidad de penetración, el coeficiente de fricción (COF) y la emisión acústica durante el ensayo. En la FIGURA 2 se muestran las huellas completas de micro arañazos en las muestras de TiN. Los comportamientos de fallo a diferentes cargas críticas se muestran en la FIGURA 3, donde la carga crítica Lc1 se define como la carga a la que se produce el primer signo de grieta cohesiva en la pista de rayado, Lc2 es la carga después de la cual se producen fallos de espalación repetidos, y Lc3 es la carga a la que el recubrimiento se desprende completamente del sustrato. Los valores de la carga crítica (Lc) para los revestimientos de TiN se resumen en la FIGURA 4.

La evolución de la profundidad de penetración, del COF y de la emisión acústica permite conocer el mecanismo de fallo del recubrimiento en diferentes etapas, que están representadas por las cargas críticas en este estudio. Se puede observar que la muestra A y la muestra B presentan un comportamiento comparable durante el ensayo de rayado. El palpador penetra progresivamente en la muestra hasta una profundidad de ~0,06 mm y el COF aumenta gradualmente hasta ~0,3 a medida que la carga normal aumenta linealmente al principio del ensayo de rayado del revestimiento. Cuando se alcanza el Lc1 de ~3,3 N, se produce el primer signo de fallo por astillamiento. Esto también se refleja en los primeros picos grandes en el gráfico de la profundidad de penetración, el COF y la emisión acústica. A medida que la carga sigue aumentando hasta Lc2 de ~3,8 N, se producen nuevas fluctuaciones de la profundidad de penetración, el COF y la emisión acústica. Podemos observar un fallo de espalación continuo presente en ambos lados de la pista de rayado. En Lc3, el revestimiento se desprende completamente del sustrato metálico bajo la alta presión aplicada por el palpador, dejando el sustrato expuesto y desprotegido.

En comparación, la Muestra C presenta cargas críticas más bajas en las diferentes etapas de los ensayos de rayado del revestimiento, lo que también se refleja en la evolución de la profundidad de penetración, el coeficiente de fricción (COF) y la emisión acústica durante el ensayo de rayado del revestimiento. La muestra C posee una capa intermedia de adhesión con menor dureza y mayor tensión en la interfaz entre el revestimiento superior de TiN y el sustrato metálico en comparación con la muestra A y la muestra B.

Este estudio demuestra la importancia del soporte adecuado del sustrato y de la arquitectura del recubrimiento para la calidad del sistema de recubrimiento. Una capa intermedia más fuerte puede resistir mejor la deformación bajo una alta carga externa y la tensión de concentración, y así mejorar la fuerza cohesiva y adhesiva del sistema de recubrimiento/sustrato.

FIGURA 1: Evolución de la profundidad de penetración, del COF y de la emisión acústica de las muestras de TiN.

FIGURA 2: Rastro completo de arañazos de los revestimientos de TiN después de las pruebas.

FIGURA 3: Fallos del recubrimiento de TiN bajo diferentes cargas críticas, Lc.

FIGURA 4: Resumen de los valores de carga crítica (Lc) para los revestimientos de TiN.

CONCLUSIÓN

En este estudio, demostramos que el comprobador mecánico NANOVEA PB1000 realiza ensayos de rayado fiables y precisos en muestras recubiertas de TiN de forma controlada y estrechamente supervisada. Las mediciones de arañazos permiten a los usuarios identificar rápidamente la carga crítica a la que se producen los típicos fallos del revestimiento cohesivo y adhesivo. Nuestros instrumentos son herramientas superiores de control de calidad que pueden inspeccionar y comparar cuantitativamente la calidad intrínseca de un revestimiento y la integridad interfacial de un sistema de revestimiento/sustrato. Un revestimiento con una capa intermedia adecuada puede resistir una gran deformación bajo una alta carga externa y tensión de concentración, y mejorar la fuerza cohesiva y adhesiva de un sistema de revestimiento/sustrato.

Los módulos Nano y Micro de un comprobador mecánico NANOVEA incluyen todos los modos de indentación, rayado y desgaste que cumplen con las normas ISO y ASTM, proporcionando la gama más amplia y fácil de usar de pruebas disponibles 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, incluyendo la dureza, el módulo de Young, la tenacidad a la fractura, la adhesión, la resistencia al desgaste y muchas otras.

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Análisis de la fractografía mediante perfilometría 3D

ANÁLISIS DE LA FRACTOGRAFÍA

UTILIZANDO LA PERFILOMETRÍA 3D

Preparado por

CRAIG LEISING

INTRODUCCIÓN

La fractografía es el estudio de las características de las superficies fracturadas e históricamente se ha investigado mediante el microscopio o el SEM. Dependiendo del tamaño de la característica, se selecciona un microscopio (características macro) o un SEM (características nano y micro) para el análisis de la superficie. Ambos permiten, en última instancia, identificar el tipo de mecanismo de fractura. Aunque es eficaz, el microscopio tiene claras limitaciones y el SEM, en la mayoría de los casos, aparte del análisis a nivel atómico, es poco práctico para la medición de la superficie de la fractura y carece de una capacidad de uso más amplia. Con los avances en la tecnología de medición óptica, el perfilómetro sin contacto NANOVEA 3D se considera ahora el instrumento de elección, con su capacidad para proporcionar mediciones de superficies 2D y 3D de escala nano a macro.

IMPORTANCIA DEL PERFILÓMETRO 3D SIN CONTACTO PARA LA INSPECCIÓN DE FRACTURAS

A diferencia de un SEM, un perfilómetro 3D sin contacto puede medir casi cualquier superficie y tamaño de muestra, con una preparación mínima de la muestra, a la vez que ofrece unas dimensiones verticales/horizontales superiores a las de un SEM. Con un perfilómetro, las características de rango nano a macro se capturan en una sola medición con cero influencia de la reflectividad de la muestra. Mide fácilmente cualquier material: transparente, opaco, especular, difusivo, pulido, rugoso, etc. El perfilómetro 3D sin contacto proporciona una capacidad amplia y fácil de usar para maximizar los estudios de fractura de superficies a una fracción del coste de un SEM.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el NANOVEA ST400 se utiliza para medir la superficie fracturada de una muestra de acero. En este estudio, mostraremos un área 3D, extracción de perfil 2D y mapa direccional de la superficie.

NANOVEA

ST400

RESULTADOS

SUPERFICIE SUPERIOR

Dirección de la textura de la superficie 3D

Isotropía51.26%
Primera dirección123.2º
Segunda dirección116.3º
Tercera dirección0.1725º

La superficie, el volumen, la rugosidad y muchos otros pueden calcularse automáticamente a partir de esta extracción.

Extracción de perfiles 2D

RESULTADOS

SUPERFICIE LATERAL

Dirección de la textura de la superficie 3D

Isotropía15.55%
Primera dirección0.1617º
Segunda dirección110.5º
Tercera dirección171.5º

La superficie, el volumen, la rugosidad y muchos otros pueden calcularse automáticamente a partir de esta extracción.

Extracción de perfiles 2D

CONCLUSIÓN

En esta aplicación, hemos mostrado cómo el perfilómetro 3D sin contacto NANOVEA ST400 puede caracterizar con precisión la topografía completa (características nano, micro y macro) de una superficie fracturada. A partir del área 3D, la superficie puede ser claramente identificada y las subáreas o perfiles/secciones transversales pueden ser rápidamente extraídas y analizadas con una lista interminable de cálculos de superficie. Las características subnano de la superficie pueden analizarse aún más con un módulo AFM integrado.

Además, NANOVEA ha incluido una versión portátil a su línea de perfilómetros, especialmente crítica para los estudios de campo en los que la superficie de la fractura es inamovible. Con esta amplia lista de capacidades de medición de superficies, el análisis de la superficie de la fractura nunca ha sido más fácil y conveniente con un solo instrumento.

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Topografía de la superficie de la fibra de vidrio mediante perfilometría 3D

TOPOGRAFÍA DE LA SUPERFICIE DE LA FIBRA DE VIDRIO

UTILIZANDO LA PERFILOMETRÍA 3D

Preparado por

CRAIG LEISING

INTRODUCCIÓN

La fibra de vidrio es un material fabricado con fibras de vidrio extremadamente finas. Se utiliza como agente de refuerzo para muchos productos poliméricos; el material compuesto resultante, conocido propiamente como polímero reforzado con fibra (FRP) o plástico reforzado con vidrio (GRP), se denomina "fibra de vidrio" en el uso popular.

IMPORTANCIA DE LA INSPECCIÓN METROLÓGICA DE SUPERFICIES PARA EL CONTROL DE CALIDAD

Aunque hay muchos usos para el refuerzo de fibra de vidrio, en la mayoría de las aplicaciones es crucial que sean lo más fuertes posible. Los compuestos de fibra de vidrio tienen una de las relaciones más altas entre resistencia y peso disponibles y, en algunos casos, libra por libra es más fuerte que el acero. Aparte de la alta resistencia, también es importante tener la menor superficie expuesta posible. Las grandes superficies de fibra de vidrio pueden hacer que la estructura sea más vulnerable a los ataques químicos y posiblemente a la expansión del material. Por lo tanto, la inspección de la superficie es fundamental para controlar la calidad de la producción.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el NANOVEA ST400 se utiliza para medir la superficie de un compuesto de fibra de vidrio en cuanto a rugosidad y planitud. Al cuantificar estas características de la superficie es posible crear u optimizar un material compuesto de fibra de vidrio más fuerte y duradero.

NANOVEA

ST400

PARÁMETROS DE MEDICIÓN

SONDA 1 mm
TASA DE ADQUISICIÓN300 Hz
PROMEDIO1
SUPERFICIE MEDIDA5 mm x 2 mm
TAMAÑO DEL PASO5 µm x 5 µm
MODO DE ESCANEOVelocidad constante

ESPECIFICACIONES DE LA SONDA

MEDICIÓN GAMA1 mm
Z RESOLUCIÓN 25 nm
Z PRECISIÓN200 nm
RESOLUCIÓN LATERAL 2 μm

RESULTADOS

VISTA DE COLOR FALSO

Planicidad de la superficie 3D

Rugosidad superficial 3D

Sa15,716 μmAltura media aritmética
Sq19,905 μmAltura media cuadrática
Sp116,74 μmAltura máxima del pico
Sv136,09 μmAltura máxima del foso
Sz252,83 μmAltura máxima
Ssk0.556Skewness
Ssu3.654Kurtosis

CONCLUSIÓN

Como se muestra en los resultados, el perfilador óptico NANOVEA ST400 fue capaz de medir con precisión la rugosidad y la planicidad de la superficie del compuesto de fibra de vidrio. Los datos pueden ser medidos en múltiples lotes de compuestos de fibra y o en un período de tiempo determinado para proporcionar información crucial sobre los diferentes procesos de fabricación de fibra de vidrio y cómo reaccionan con el tiempo. Así, el ST400 es una opción viable para reforzar el proceso de control de calidad de los materiales compuestos de fibra de vidrio.

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Desgaste y fricción de las correas de polímero con un tribómetro

CINTURONES DE POLÍMERO

DESGASTE Y FRICCIÓN CON UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

Las transmisiones por correa transmiten la potencia y siguen el movimiento relativo entre dos o más ejes giratorios. Al ser una solución sencilla y económica, con un mantenimiento mínimo, las transmisiones por correa se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, como sierras de cinta, aserraderos, trilladoras, sopladores de silo y transportadores. Las transmisiones por correa pueden proteger la maquinaria de las sobrecargas, así como amortiguar y aislar las vibraciones.

IMPORTANCIA DE LA EVALUACIÓN DEL DESGASTE PARA LAS TRANSMISIONES POR CORREA

La fricción y el desgaste son inevitables en las correas de una máquina accionada por correa. Una fricción suficiente garantiza una transmisión eficaz de la potencia sin deslizamiento, pero una fricción excesiva puede desgastar rápidamente la correa. Durante el funcionamiento de la transmisión por correa se producen diferentes tipos de desgaste, como la fatiga, la abrasión y la fricción. Para prolongar la vida útil de la correa y reducir el coste y el tiempo de reparación y sustitución de la misma, es conveniente realizar una evaluación fiable del desgaste de las correas para mejorar su vida útil, la eficacia de la producción y el rendimiento de la aplicación. La medición precisa del coeficiente de fricción y del índice de desgaste de la correa facilita la I+D y el control de calidad de la producción de correas.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, simulamos y comparamos los comportamientos de desgaste de correas con diferentes texturas superficiales para mostrar la capacidad del NANOVEA Tribómetro T2000 en la simulación del proceso de desgaste de la correa de forma controlada y monitorizada.

NANOVEA

T2000

PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA

El coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de dos correas con diferente rugosidad y textura superficial fueron evaluados por el NANOVEA Tribómetro de alta carga utilizando un módulo de desgaste lineal recíproco. Se utilizó una bola de acero 440 (10 mm de diámetro) como contramaterial. La rugosidad de la superficie y la huella de desgaste se examinaron mediante un perfilómetro 3D sin contacto integrado. La tasa de desgaste, Kse evaluó mediante la fórmula K=Vl(Fxs), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal y s es la distancia de deslizamiento.

 

Tenga en cuenta que en este estudio se ha utilizado como ejemplo una bola lisa de acero 440, pero se puede aplicar cualquier material sólido con diferentes formas y acabados de superficie utilizando accesorios personalizados para simular la situación de aplicación real.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La banda texturizada y la banda lisa tienen una rugosidad superficial Ra de 33,5 y 8,7 um, respectivamente, según los perfiles superficiales analizados tomados con un NANOVEA Perfilador óptico 3D sin contacto. El COF y la tasa de desgaste de las dos correas probadas se midieron a 10 N y 100 N, respectivamente, para comparar el comportamiento de desgaste de las correas a diferentes cargas.

FIGURA 1 muestra la evolución del COF de las correas durante las pruebas de desgaste. Las correas con diferentes texturas muestran comportamientos de desgaste sustancialmente diferentes. Es interesante que, tras el periodo de rodaje durante el cual el COF aumenta progresivamente, la correa texturizada alcanza un COF inferior de ~0,5 en ambas pruebas realizadas con cargas de 10 N y 100 N. En comparación, la correa lisa probada bajo la carga de 10 N exhibe un COF significativamente superior de~ 1,4 cuando el COF se estabiliza y se mantiene por encima de este valor durante el resto de la prueba. La correa lisa probada bajo la carga de 100 N se desgastó rápidamente por la bola de acero 440 y formó una gran huella de desgaste. Por lo tanto, la prueba se detuvo a 220 revoluciones.

FIGURA 1: Evolución del COF de las correas a diferentes cargas.

La FIGURA 2 compara las imágenes de las huellas de desgaste en 3D después de las pruebas a 100 N. El perfilómetro sin contacto NANOVEA 3D ofrece una herramienta para analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste, proporcionando más información en la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste.

TABLA 1: Resultado del análisis de la pista de desgaste.

FIGURA 2:  Vista en 3D de los dos cinturones
después de las pruebas a 100 N.

El perfil de la huella de desgaste en 3D permite determinar de forma directa y precisa el volumen de la huella de desgaste calculado por el software de análisis avanzado, como se muestra en la TABLA 1. En una prueba de desgaste de 220 revoluciones, la correa lisa presenta una huella de desgaste mucho mayor y más profunda, con un volumen de 75,7 mm3, en comparación con un volumen de desgaste de 14,0 mm3 para la correa texturizada tras una prueba de desgaste de 600 revoluciones. La fricción significativamente mayor de la correa lisa contra la bola de acero da lugar a un índice de desgaste 15 veces mayor en comparación con la correa texturizada.

 

Una diferencia tan drástica de COF entre la correa texturizada y la lisa está posiblemente relacionada con el tamaño del área de contacto entre la correa y la bola de acero, lo que también conduce a su diferente rendimiento de desgaste. La FIGURA 3 muestra las huellas de desgaste de las dos correas bajo el microscopio óptico. El examen de las huellas de desgaste coincide con la observación de la evolución del COF: La correa texturizada, que mantiene un COF bajo de ~0,5, no muestra ningún signo de desgaste después de la prueba de desgaste bajo una carga de 10 N. La correa lisa muestra una pequeña huella de desgaste a 10 N. Las pruebas de desgaste realizadas a 100 N crean huellas de desgaste sustancialmente mayores tanto en la correa texturizada como en la lisa, y la tasa de desgaste se calculará utilizando perfiles 3D, como se comentará en el siguiente párrafo.

FIGURA 3:  Huellas de desgaste bajo el microscopio óptico.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos la capacidad del Tribómetro NANOVEA T2000 para evaluar el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste de las correas de una manera bien controlada y cuantitativa. La textura de la superficie desempeña un papel fundamental en la resistencia a la fricción y al desgaste de las correas durante su funcionamiento. La correa texturizada presenta un coeficiente de fricción estable de ~0,5 y posee una larga vida útil, lo que se traduce en una reducción del tiempo y los costes de reparación o sustitución de las herramientas. En comparación, la excesiva fricción de la correa lisa contra la bola de acero desgasta rápidamente la correa. Además, la carga de la correa es un factor vital para su vida útil. La sobrecarga crea una fricción muy elevada, lo que provoca un desgaste acelerado de la correa.

El tribómetro NANOVEA T2000 ofrece pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión disponibles en un sistema preintegrado. NANOVEA's es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.

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Microestructura de fósiles mediante perfilometria de 3D

MICROESTRUCTURA FÓSIL

UTILIZANDO LA PERFILOMETRÍA 3D

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

Los fósiles son los restos conservados de rastros de plantas, animales y otros organismos enterrados en sedimentos bajo antiguos mares, lagos y ríos. Los tejidos blandos del cuerpo suelen descomponerse tras la muerte, pero las conchas duras, los huesos y los dientes se fosilizan. Los rasgos superficiales de la microestructura suelen conservarse cuando se produce la sustitución mineral de las conchas y los huesos originales, lo que permite conocer la evolución del tiempo y el mecanismo de formación de los fósiles.

IMPORTANCIA DE UN PERFILÓMETRO 3D SIN CONTACTO PARA EL EXAMEN DE FÓSILES

La primera muestra fósil presentada en este informe es un fósil de braquiópodo, procedente de un animal marino que tiene "válvulas" (conchas) duras en su superficie superior e inferior. Aparecieron por primera vez en el periodo Cámbrico, hace más de 550 millones de años.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio se utiliza el perfilómetro NANOVEA Jr25 para medir la superficie de dos muestras fósiles representativas. Se escaneó y analizó toda la superficie de cada fósil para caracterizar sus rasgos superficiales que incluyen la rugosidad, el contorno y la dirección de la textura.

NANOVEA

Jr25

FÓSIL DE BRAQUIÓPODO

The first fossil sample presented in this report is a Brachiopod fossil, which came from a marine animal that has hard “valves” (shells) on its upper and lower surfaces. They first appeared in the Cambrian period, which is more than 550 million years ago.

La vista 3D del escáner se muestra en la FIGURA 1 y la vista en falso color se muestra en la FIGURA 2. 

FIGURA 1: Vista en 3D de la muestra de fósiles de braquiópodos.

FIGURA 2: Vista en falso color de la muestra de fósiles de braquiópodos

A continuación, se retiró la forma general de la superficie para investigar la morfología local de la superficie y el contorno del fósil de braquiópodo, como se muestra en la FIGURA 3. En la muestra del fósil de braquiópodo se observa ahora una peculiar textura de surco divergente.

FIGURA 3: Vista de falso color y vista de líneas de contorno después de la eliminación de la forma.

Se extrae un perfil de líneas de la zona texturizada para mostrar una vista transversal de la superficie fósil en la FIGURA 4. El estudio de la altura del escalón mide las dimensiones precisas de las características de la superficie. Los surcos poseen una anchura media de ~0,38 mm y una profundidad de ~0,25 mm.

FIGURA 4: Estudios de perfil de línea y de altura de paso de la superficie texturizada.

FÓSIL DE TALLO DE CRINOIDE

La segunda muestra fósil es un fósil de tallo de Crinoide. Los crinoideos aparecieron por primera vez en los mares del período Cámbrico Medio, unos 300 millones de años antes de los dinosaurios. 

 

La vista 3D del escáner se muestra en la FIGURA 5 y la vista en falso color se muestra en la FIGURA 6. 

FIGURA 5: Vista en 3D de la muestra de fósiles de crinoides.

La isotropía de la textura de la superficie y la rugosidad del fósil de tallo de Crinoide se analizan en la FIGURA 7. 

 Este fósil tiene una dirección de textura preferente en el ángulo cercano a 90°, lo que lleva a la isotropía de la textura de 69%.

FIGURA 6: Vista en falso color de la Tallo de crinoide muestra.

 

FIGURA 7: Isotropía y rugosidad de la textura superficial del tallo fósil de Crinoide.

El perfil 2D a lo largo de la dirección axial del fósil de tallo de Crinoide se muestra en la FIGURA 8. 

El tamaño de los picos de la textura superficial es bastante uniforme.

FIGURA 8: Análisis del perfil 2D del fósil de tallo de Crinoide.

CONCLUSIÓN

En esta aplicación, estudiamos exhaustivamente las características de la superficie 3D de un fósil de tallo de braquiópodo y crinoideo utilizando el perfilómetro portátil sin contacto NANOVEA Jr25. Demostramos que el instrumento puede caracterizar con precisión la morfología 3D de las muestras fósiles. A continuación, se analizan las interesantes características de la superficie y la textura de las muestras. La muestra de braquiópodo posee una textura de surco divergente, mientras que el fósil de tallo de crinoide muestra una isotropía de textura preferente. Los detallados y precisos escaneos de superficie en 3D resultan ser herramientas ideales para que paleontólogos y geólogos estudien la evolución de las vidas y la formación de los fósiles.

Los datos mostrados aquí representan sólo una parte de los cálculos disponibles en el software de análisis. Los perfilómetros NANOVEA miden prácticamente cualquier superficie en campos como el de los semiconductores, la microelectrónica, la energía solar, la fibra óptica, la automoción, la industria aeroespacial, la metalurgia, el mecanizado, los revestimientos, la industria farmacéutica, la biomedicina, el medio ambiente y muchos otros.

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Rendimiento de la abrasión del papel de lija mediante un tribómetro

RENDIMIENTO DE LA ABRASIÓN DEL PAPEL DE LIJA

UTILIZANDO UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

El papel de lija está formado por partículas abrasivas pegadas a una cara de un papel o tela. Se pueden utilizar diversos materiales abrasivos para las partículas, como granate, carburo de silicio, óxido de aluminio y diamante. El papel de lija se aplica ampliamente en diversos sectores industriales para crear acabados superficiales específicos en madera, metal y paneles de yeso. Suelen trabajar en contacto con alta presión aplicada con herramientas manuales o eléctricas.

IMPORTANCIA DE EVALUAR EL RENDIMIENTO DE LA ABRASIÓN DEL PAPEL DE LIJA

La eficacia del papel de lija suele estar determinada por su rendimiento de abrasión en diferentes condiciones. El tamaño de grano, es decir, el tamaño de las partículas abrasivas incrustadas en la lija, determina la velocidad de desgaste y el tamaño de los arañazos del material lijado. Las lijas de mayor número de grano tienen partículas más pequeñas, por lo que la velocidad de lijado es menor y el acabado de la superficie es más fino. Las lijas con el mismo número de grano pero fabricadas con materiales diferentes pueden tener comportamientos distintos en condiciones secas o húmedas. Se necesitan evaluaciones tribológicas fiables para garantizar que las lijas fabricadas tienen el comportamiento abrasivo deseado. Estas evaluaciones permiten a los usuarios comparar cuantitativamente los comportamientos de desgaste de diferentes tipos de lijas de forma controlada y supervisada, con el fin de seleccionar el mejor candidato para la aplicación prevista.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, mostramos la capacidad del Tribómetro NANOVEA para evaluar cuantitativamente el rendimiento de la abrasión de varias muestras de papel de lija en condiciones secas y húmedas.

NANOVEA

T2000

PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA

Se evaluó el coeficiente de fricción (COF) y el rendimiento de abrasión de dos tipos de lijas mediante el tribómetro NANOVEA T100. Se utilizó una bola de acero inoxidable 440 como contramaterial. Las cicatrices de desgaste de la bola se examinaron después de cada prueba de desgaste utilizando el perfilador óptico sin contacto NANOVEA 3D para garantizar mediciones precisas de la pérdida de volumen.

Tenga en cuenta que se eligió una bola de acero inoxidable 440 como contra material para crear un estudio comparativo, pero cualquier material sólido podría ser sustituido para simular una condición de aplicación diferente.

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS Y DISCUSIÓN

La FIGURA 1 muestra una comparación del COF del papel de lija 1 y 2 en condiciones ambientales secas y húmedas. El papel de lija 1, en condiciones secas, muestra un COF de 0,4 al principio de la prueba, que disminuye progresivamente y se estabiliza en 0,3. En condiciones húmedas, esta muestra presenta un COF medio inferior, de 0,27. En cambio, los resultados del COF de la muestra 2 muestran un COF en seco de 0,27 y un COF en húmedo de ~ 0,37. 

Obsérvese que la oscilación en los datos de todos los gráficos de COF fue causada por las vibraciones generadas por el movimiento de deslizamiento de la bola contra las superficies rugosas del papel de lija.

FIGURA 1: Evolución del COF durante las pruebas de desgaste.

La FIGURA 2 resume los resultados del análisis de las cicatrices de desgaste. Las cicatrices de desgaste se midieron utilizando un microscopio óptico y un perfilador óptico sin contacto NANOVEA 3D. La FIGURA 3 y la FIGURA 4 comparan las cicatrices de desgaste de las bolas SS440 desgastadas después de las pruebas de desgaste en el papel de lija 1 y 2 (condiciones húmedas y secas). Como se muestra en la FIGURA 4, el Perfilador Óptico NANOVEA captura con precisión la topografía de la superficie de las cuatro bolas y sus respectivas huellas de desgaste, que luego fueron procesadas con el software de Análisis Avanzado NANOVEA Mountains para calcular la pérdida de volumen y la tasa de desgaste. En la imagen del microscopio y del perfil de la bola se puede observar que la bola utilizada para la prueba del papel de lija 1 (en seco) presentaba una cicatriz de desgaste aplanada más grande en comparación con las demás, con una pérdida de volumen de 0,313 mm3. En cambio, la pérdida de volumen del papel de lija 1 (húmedo) fue de 0,131 mm3. Para el papel de lija 2 (seco) la pérdida de volumen fue de 0,163 mm3 y para el papel de lija 2 (húmedo) la pérdida de volumen aumentó a 0,237 mm3.

Además, es interesante observar que el COF desempeñó un papel importante en el rendimiento de abrasión de las lijas. El papel de lija 1 mostró un mayor COF en seco, lo que dio lugar a un mayor índice de abrasión de la bola SS440 utilizada en la prueba. En comparación, el mayor COF del papel de lija 2 en condiciones húmedas dio lugar a un mayor índice de abrasión. Las huellas de desgaste de las lijas tras las mediciones se muestran en la FIGURA 5.

Ambas lijas, la 1 y la 2, afirman funcionar tanto en seco como en húmedo. Sin embargo, mostraron un rendimiento de abrasión significativamente diferente en condiciones secas y húmedas. Los tribómetros NANOVEA proporcionan capacidades de evaluación del desgaste bien controladas, cuantificables y fiables, que garantizan evaluaciones de desgaste reproducibles. Además, la capacidad de medición del COF in situ permite a los usuarios correlacionar las diferentes etapas de un proceso de desgaste con la evolución del COF, lo que es fundamental para mejorar la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste y las características tribológicas del papel de lija

FIGURA 2: Volumen de la cicatriz de desgaste de las bolas y promedio del COF en diferentes condiciones.

FIGURA 3: Las cicatrices de las bolas después de las pruebas.

FIGURA 4: Morfología 3D de las cicatrices de desgaste en las bolas.

FIGURA 5: Huellas de desgaste en las lijas bajo diferentes condiciones.

CONCLUSIÓN

En este estudio se evaluó el rendimiento de abrasión de dos tipos de lijas del mismo número de grano en condiciones secas y húmedas. Las condiciones de servicio de la lija desempeñan un papel fundamental en la eficacia del rendimiento de trabajo. La lija 1 tuvo un comportamiento de abrasión significativamente mejor en condiciones secas, mientras que la lija 2 se comportó mejor en condiciones húmedas. La fricción durante el proceso de lijado es un factor importante a tener en cuenta a la hora de evaluar el rendimiento de la abrasión. El perfilador óptico NANOVEA mide con precisión la morfología 3D de cualquier superficie, como las cicatrices de desgaste en una bola, asegurando una evaluación fiable sobre el rendimiento de la abrasión del papel de lija en este estudio. El Tribómetro NANOVEA mide el coeficiente de fricción in situ durante una prueba de desgaste, proporcionando una visión de las diferentes etapas de un proceso de desgaste. También ofrece pruebas de desgaste y fricción repetibles utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con 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 proporciona una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de los materiales superiores resistentes al desgaste bajo altas cargas.

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