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Tribología de las rocas

TRIBOLOGÍA DE ROCAS

USO DEL TRIBÓMETRO NANOVEA

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

Las rocas están compuestas de granos de minerales. El tipo y abundancia de estos minerales, así como la fuerza de los enlaces químicos entre los granos minerales, determinan las propiedades mecánicas y tribológicas de las rocas. Dependiendo de los ciclos geológicos de las rocas, las rocas pueden sufrir transformaciones y normalmente se clasifican en tres tipos principales: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Estas rocas exhiben diferentes composiciones minerales y químicas, permeabilidades y tamaños de partículas, y tales características contribuyen a su variada resistencia al desgaste. La tribología de rocas explora los comportamientos de desgaste y fricción de las rocas en diversas condiciones geológicas y ambientales.

IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA DE ROCAS

Durante el proceso de perforación de pozos se producen diversos tipos de desgaste de las rocas, incluidos la abrasión y la fricción, lo que provoca importantes pérdidas directas y consecuentes atribuidas a la reparación y sustitución de brocas y herramientas de corte. Por lo tanto, el estudio de la perforabilidad, la capacidad de perforación, la cortabilidad y la abrasividad de las rocas es fundamental en las industrias del petróleo, el gas y la minería. La investigación de tribología de rocas desempeña un papel fundamental en la selección de las estrategias de perforación más eficientes y rentables, mejorando así la eficiencia general y contribuyendo a la conservación de materiales, energía y medio ambiente. Además, minimizar la fricción de la superficie es muy ventajoso para reducir la interacción entre la broca de perforación y la roca, lo que resulta en un menor desgaste de la herramienta y una mejor eficiencia de perforación/corte.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, simulamos y comparamos las propiedades tribológicas de dos tipos de rocas para mostrar la capacidad del tribómetro NANOVEA T50 para medir el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste de las rocas de manera controlada y monitoreada.

NANOVEA

T50

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LAS MUESTRAS

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

El coeficiente de fricción, COF y la resistencia al desgaste de dos muestras de roca se evaluaron mediante el tribómetro NANOVEA T50 utilizando un módulo de desgaste de pasador sobre disco. Como contramaterial se utilizó una bola de Al2O3 (6 mm de diámetro). La huella de desgaste se examinó utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA después de las pruebas. Los parámetros de prueba se resumen a continuación. 

La tasa de desgaste, K, se evaluó utilizando 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 utilizando un microscopio óptico. 

Tenga en cuenta que en este estudio se utilizó como ejemplo la bola de Al2O3 como material de contador. Se puede aplicar cualquier material sólido con diferentes formas utilizando un dispositivo personalizado para simular la situación de aplicación real.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA

SUPERFICIE DE ACERO

Piedra caliza, Mármol

RADIO DEL ANILLO DE DESGASTE 5 mm
FUERZA NORMAL 10 N
DURACIÓN DE LA PRUEBA 10 minutos
VELOCIDAD 100 rpm

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La dureza (H) y el módulo elástico (E) de las muestras de piedra caliza y mármol se comparan en la FIGURA 1, utilizando el módulo de microindentación del probador mecánico NANOVEA. La muestra de piedra caliza exhibió valores más bajos de H y E, midiendo 0,53 y 25,9 GPa, respectivamente, en contraste con el mármol, que registró valores de 1,07 para H y 49,6 GPa para E. La variabilidad relativamente mayor en los valores de H y E observada en la La muestra de piedra caliza se puede atribuir a su mayor falta de homogeneidad superficial, derivada de sus características granuladas y porosas.

La evolución del COF durante las pruebas de desgaste de las dos muestras de roca se muestra en la FIGURA 2. La piedra caliza inicialmente experimenta un rápido aumento en el COF a aproximadamente 0,8 al comienzo de la prueba de desgaste, manteniendo este valor durante toda la prueba. Este cambio abrupto en el COF se puede atribuir a la penetración de la bola de Al2O3 en la muestra de roca, como resultado de un rápido proceso de desgaste y rugosidad que ocurre en la cara de contacto dentro de la pista de desgaste. En contraste, la muestra de mármol exhibe un aumento notable en COF a valores más altos después de aproximadamente 5 metros de distancia de deslizamiento, lo que significa su resistencia al desgaste superior en comparación con la piedra caliza.

FIGURA 1: Comparación de dureza y módulo de Young entre muestras de piedra caliza y mármol.

FIGURA 2: Evolución del Coeficiente de Fricción (COF) en muestras de piedra caliza y mármol durante ensayos de desgaste.

La FIGURA 3 compara los perfiles transversales de las muestras de piedra caliza y mármol después de las pruebas de desgaste, y la Tabla 1 resume los resultados del análisis de la huella de desgaste. La FIGURA 4 muestra las huellas de desgaste de las muestras bajo el microscopio óptico. La evaluación de la huella de desgaste se alinea con la observación de la evolución del COF: la muestra de mármol, que mantiene un COF bajo durante un período más largo, exhibe una tasa de desgaste más baja de 0,0046 mm³/N m, en comparación con 0,0353 mm³/N m para la piedra caliza. Las propiedades mecánicas superiores del mármol contribuyen a su mejor resistencia al desgaste que la piedra caliza.

FIGURA 3: Perfiles de sección transversal de las pistas de desgaste.

ZONA DEL VALLE PROFUNDIDAD DEL VALLE TASA DE DESGASTE
CALIZA 35,3±5,9 × 104 µm2 229±24 micras 0,0353 milímetros3/Nuevo Méjico
MÁRMOL 4,6 ± 1,2 × 104 µm2 61±15 micras 0,0046 milímetros3/Nuevo Méjico

TABLA 1: Resumen de resultados del análisis de la pista de desgaste.

FIGURA 4: Huellas de desgaste bajo el microscopio óptico.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos la capacidad del tribómetro NANOVEA para evaluar el coeficiente de fricción y la resistencia al desgaste de dos muestras de roca, a saber, mármol y piedra caliza, de forma controlada y monitoreada. Las propiedades mecánicas superiores del mármol contribuyen a su excepcional resistencia al desgaste. Esta propiedad dificulta la perforación o el corte en la industria del petróleo y el gas. Por el contrario, su vida útil se prolonga significativamente cuando se utiliza como material de construcción de alta calidad, como por ejemplo las baldosas.

Los tribómetros NANOVEA ofrecen capacidades de prueba de desgaste y fricción precisas y repetibles, cumpliendo con los estándares ISO y ASTM tanto en modo rotativo como lineal. Además, proporciona módulos opcionales para desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión, todos perfectamente integrados en un solo sistema. La incomparable gama de NANOVEA es una solución ideal para determinar la gama completa de propiedades tribológicas de recubrimientos, películas, sustratos y tribología de rocas delgadas o gruesas, blandas o duras.

Análisis de superficies granalladas

ANÁLISIS DE SUPERFICIES GRANALLADAS

USO DEL PERFILÓMETRO 3D SIN CONTACTO

Preparado por

CRAIG LEISING

INTRODUCCIÓN

El granallado es un proceso en el que se bombardea un sustrato con perlas esféricas de metal, vidrio o cerámica, comúnmente denominadas "granallado", con una fuerza destinada a inducir plasticidad en la superficie. El análisis de las características antes y después del granallado proporciona información crucial para mejorar la comprensión y el control del proceso. Son aspectos de especial interés la rugosidad superficial y el área de cobertura de los hoyuelos dejados por el disparo.

Importancia del perfilómetro 3D sin contacto para el análisis de superficies granalladas

A diferencia de los perfilómetros de contacto tradicionales, que tradicionalmente se han utilizado para el análisis de superficies granalladas, la medición 3D sin contacto proporciona una imagen 3D completa para ofrecer una comprensión más completa del área de cobertura y la topografía de la superficie. Sin capacidades 3D, una inspección se basará únicamente en información 2D, que es insuficiente para caracterizar una superficie. Comprender la topografía, el área de cobertura y la rugosidad en 3D es el mejor enfoque para controlar o mejorar el proceso de granallado. Los perfilómetros 3D sin contacto de NANOVEA utilizan tecnología de luz cromática con una capacidad única para medir ángulos pronunciados que se encuentran en superficies mecanizadas y granalladas. Además, cuando otras técnicas no proporcionan datos fiables debido al contacto de la sonda, la variación de la superficie, el ángulo o la reflectividad, los perfilómetros NANOVEA tienen éxito.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el perfilómetro sin contacto NANOVEA ST400 se utiliza para medir la materia prima y dos superficies granalladas de manera diferente para una revisión comparativa. Hay una lista interminable de parámetros de superficie que se pueden calcular automáticamente después del escaneo de superficie 3D. Aquí, revisaremos la superficie 3D y seleccionaremos áreas de interés para un análisis más detallado, incluida la cuantificación e investigación de la rugosidad, los hoyuelos y el área de la superficie.

NANOVEA

ST400

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perfilómetro sin contacto óptico 3d

LA MUESTRA

RESULTADOS

SUPERFICIE DE ACERO

ISO 25178 PARÁMETROS DE RUGOSIDAD 3D

SA 0,399 micras Rugosidad promedio
Sq 0,516 micras Rugosidad RMS
Sz 5,686 micras Pico a valle máximo
Sp 2,976 micras Altura máxima del pico
Sv 2.711 micras Profundidad máxima del pozo
Código 3.9344 Kurtosis
Ssk -0.0113 Skewness
Sal 0,0028mm Longitud de correlación automática
Calle 0.0613 Relación de aspecto de la textura
Sdar 26.539 mm² Área de superficie
Svk 0,589 micras Profundidad de valle reducida
 

RESULTADOS

SUPERFICIE GRANALLADA 1

COBERTURA DE SUPERFICIE
98.105%

ISO 25178 PARÁMETROS DE RUGOSIDAD 3D

Sa 4,102 micras Rugosidad promedio
Sq 5,153 micras Rugosidad RMS
Sz 44,975 micras Pico a valle máximo
Sp 24.332 micras Altura máxima del pico
Sv 20,644 micras Profundidad máxima del pozo
Código 3.0187 Kurtosis
Ssk 0.0625 Skewness
Sal 0,0976mm Longitud de correlación automática
Calle 0.9278 Relación de aspecto de la textura
Sdar 29.451 mm² Área de superficie
Svk 5,008 micras Profundidad de valle reducida

RESULTADOS

SUPERFICIE GRANALLADA 2

COBERTURA DE SUPERFICIE 97.366%

ISO 25178 PARÁMETROS DE RUGOSIDAD 3D

Sa 4.330 micras Rugosidad promedio
Sq 5.455 micras Rugosidad RMS
Sz 54.013 micras Pico a valle máximo
Sp 25,908 micras Altura máxima del pico
Sv 28,105 micras Profundidad máxima del pozo
Código 3.0642 Kurtosis
Ssk 0.1108 Skewness
Sal 0,1034mm Longitud de correlación automática
Calle 0.9733 Relación de aspecto de la textura
Sdar 29.623 mm² Área de superficie
Svk 5,167 micras Profundidad de valle reducida

CONCLUSIÓN

En esta aplicación de análisis de superficies granalladas, hemos demostrado cómo el perfilador 3D sin contacto NANOVEA ST400 caracteriza con precisión tanto la topografía como los detalles nanométricos de una superficie granallada. Es evidente que tanto la Superficie 1 como la Superficie 2 tienen un impacto significativo en todos los parámetros informados aquí en comparación con la materia prima. Un simple examen visual de las imágenes revela las diferencias entre las superficies. Esto se confirma aún más al observar el área de cobertura y los parámetros enumerados. En comparación con la Superficie 2, la Superficie 1 exhibe una rugosidad promedio más baja (Sa), abolladuras menos profundas (Sv) y un área de superficie reducida (Sdar), pero un área de cobertura ligeramente mayor.

A partir de estas mediciones de superficie 3D, las áreas de interés pueden identificarse fácilmente y someterse a una amplia gama de mediciones, que incluyen rugosidad, acabado, textura, forma, topografía, planeidad, alabeo, planaridad, volumen, altura de paso y otras. Se puede elegir rápidamente una sección transversal 2D para un análisis detallado. Esta información permite una investigación integral de las superficies granalladas, utilizando una gama completa de recursos de medición de superficies. Las áreas específicas de interés podrían examinarse más a fondo con un módulo AFM integrado. Los perfilómetros NANOVEA 3D ofrecen velocidades de hasta 200 mm/s. Se pueden personalizar en términos de tamaño, velocidades, capacidades de escaneo e incluso pueden cumplir con los estándares de sala limpia Clase 1. También están disponibles opciones como Indexing Conveyor e integración para uso en línea o en línea.

Un agradecimiento especial al Sr. Hayden del IMF por proporcionar la muestra que se muestra en esta nota. Acabado Industrial de Metales Inc. | indmetfin.com

Morfología de la superficie de la pintura

MORFOLOGÍA DE LA SUPERFICIE DE LA PINTURA

SEGUIMIENTO AUTOMATIZADO DE LA EVOLUCIÓN EN TIEMPO REAL
USO DEL PERFILÓMETRO NANOVEA 3D

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

Las propiedades protectoras y decorativas de la pintura desempeñan un papel importante en diversos sectores, como el de la automoción, el naval, el militar y el de la construcción. Para conseguir las propiedades deseadas, como resistencia a la corrosión, protección UV y resistencia a la abrasión, las fórmulas y arquitecturas de la pintura se analizan, modifican y optimizan cuidadosamente.

IMPORTANCIA DEL PERFILÓMETRO 3D SIN CONTACTO PARA EL ANÁLISIS DE LA MORFOLOGÍA SUPERFICIAL DE LA PINTURA DE SECADO

La pintura suele aplicarse en forma líquida y se somete a un proceso de secado, que implica la evaporación de disolventes y la transformación de la pintura líquida en una película sólida. Durante el proceso de secado, la superficie de la pintura cambia progresivamente de forma y textura. Se pueden conseguir distintos acabados y texturas superficiales utilizando aditivos para modificar la tensión superficial y las propiedades de fluidez de la pintura. Sin embargo, en los casos de una receta de pintura mal formulada o un tratamiento superficial inadecuado, pueden producirse fallos no deseados en la superficie de la pintura.

La monitorización precisa in situ de la morfología de la superficie de la pintura durante el periodo de secado puede proporcionar información directa sobre el mecanismo de secado. Además, la evolución en tiempo real de las morfologías superficiales es una información muy útil en diversas aplicaciones, como la impresión 3D. Los perfilómetros sin contacto NANOVEA 3D miden la morfología de la superficie de la pintura de los materiales sin tocar la muestra, evitando cualquier alteración de la forma que puedan causar las tecnologías de contacto, como un palpador deslizante.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el perfilómetro sin contacto NANOVEA ST500, equipado con un sensor óptico de línea de alta velocidad, se utiliza para monitorizar la morfología de la superficie de la pintura durante su periodo de secado de 1 hora. Mostramos la capacidad del perfilómetro sin contacto NANOVEA para proporcionar mediciones automatizadas de perfiles 3D en tiempo real de materiales con cambio continuo de forma.

NANOVEA

ST500

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RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La pintura se aplicó sobre la superficie de una chapa metálica, seguida inmediatamente de mediciones automatizadas de la evolución de la morfología de la pintura en secado in situ utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA ST500 equipado con un sensor de línea de alta velocidad. Se había programado una macro para medir y registrar automáticamente la morfología 3D de la superficie a intervalos de tiempo específicos: 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50 y 60 min. Este procedimiento de escaneado automatizado permite a los usuarios realizar tareas de escaneado automáticamente ejecutando procedimientos establecidos en secuencia, lo que reduce significativamente el esfuerzo, el tiempo y los posibles errores del usuario en comparación con las pruebas manuales o los escaneados repetidos. Esta automatización resulta extremadamente útil para mediciones a largo plazo que implican múltiples exploraciones a diferentes intervalos de tiempo.

El sensor óptico de línea genera una línea brillante formada por 192 puntos, como se muestra en la FIGURA 1. Estos 192 puntos luminosos escanean simultáneamente la superficie de la muestra, lo que aumenta significativamente la velocidad de escaneado. Esto garantiza que cada escaneado 3D se complete rápidamente para evitar cambios sustanciales en la superficie durante cada escaneado individual.

FIGURA 1: Sensor óptico de líneas que escanea la superficie de la pintura en secado.

La vista en falso color, la vista en 3D y el perfil en 2D de la topografía de la pintura secándose en momentos representativos se muestran en la FIGURA 2, FIGURA 3 y FIGURA 4, respectivamente. El falso color en las imágenes facilita la detección de características que no son fácilmente discernibles. Los diferentes colores representan variaciones de altura en diferentes áreas de la superficie de la muestra. La vista 3D proporciona una herramienta ideal para que los usuarios observen la superficie de la pintura desde diferentes ángulos. Durante los primeros 30 minutos de la prueba, los falsos colores de la superficie de la pintura cambian gradualmente de tonos más cálidos a tonos más fríos, lo que indica una disminución progresiva de la altura con el paso del tiempo en este periodo. Este proceso se ralentiza, como demuestra el leve cambio de color al comparar la pintura a los 30 y 60 minutos.

Los valores de la altura media de la muestra y de la rugosidad Sa en función del tiempo de secado de la pintura se representan gráficamente en la FIGURA 5. El análisis completo de la rugosidad de la pintura después de 0, 30 y 60 min de tiempo de secado se enumeran en la TABLA 1. Puede observarse que la altura media de la superficie de la pintura disminuye rápidamente de 471 a 329 µm en los primeros 30 min de tiempo de secado. La textura de la superficie se desarrolla al mismo tiempo que se vaporiza el disolvente, lo que provoca un aumento del valor Sa de la rugosidad de 7,19 a 22,6 µm. El proceso de secado de la pintura se ralentiza a partir de entonces, lo que provoca una disminución gradual de la altura de la muestra y del valor Sa hasta 317 µm y 19,6 µm, respectivamente, a los 60 min.

Este estudio pone de relieve las capacidades del perfilómetro 3D sin contacto NANOVEA para monitorizar en tiempo real los cambios de la superficie 3D de la pintura en proceso de secado, proporcionando información valiosa sobre el proceso de secado de la pintura. Al medir la morfología de la superficie sin tocar la muestra, el perfilómetro evita introducir alteraciones de forma en la pintura sin secar, lo que puede ocurrir con tecnologías de contacto como el palpador deslizante. Este enfoque sin contacto garantiza un análisis preciso y fiable de la morfología de la superficie de la pintura en proceso de secado.

FIGURA 2: Evolución de la morfología de la superficie de la pintura en secado a diferentes tiempos.

FIGURA 3: Vista en 3D de la evolución de la superficie de la pintura a diferentes tiempos de secado.

FIGURA 4: Perfil 2D de la muestra de pintura tras diferentes tiempos de secado.

FIGURA 5: Evolución de la altura media de la muestra y del valor de rugosidad Sa en función del tiempo de secado de la pintura.

ISO 25178

Tiempo de secado (min) 0 5 10 20 30 40 50 60
Sq (µm) 7.91 9.4 10.8 20.9 22.6 20.6 19.9 19.6
Código 26.3 19.8 14.6 11.9 10.5 9.87 9.83 9.82
Sp (µm) 97.4 105 108 116 125 118 114 112
Sv (µm) 127 70.2 116 164 168 138 130 128
Sz (µm) 224 175 224 280 294 256 244 241
Sa (µm) 4.4 5.44 6.42 12.2 13.3 12.2 11.9 11.8

Sq - Altura media cuadrática | Sku - Kurtosis | Sp - Altura máxima del pico | Sv - Altura máxima del foso | Sz - Altura máxima | Sv - Altura media aritmética

TABLA 1: Rugosidad de la pintura a diferentes tiempos de secado.

CONCLUSIÓN

En esta aplicación, hemos mostrado las capacidades del perfilómetro 3D sin contacto NANOVEA ST500 para controlar la evolución de la morfología de la superficie de la pintura durante el proceso de secado. El sensor óptico de línea de alta velocidad, que genera una línea con 192 puntos de luz que escanean la superficie de la muestra simultáneamente, ha hecho que el estudio sea eficiente en el tiempo a la vez que garantiza una precisión inigualable.

La función macro del software de adquisición permite programar mediciones automatizadas de la morfología de la superficie 3D in situ, por lo que resulta especialmente útil para mediciones a largo plazo que impliquen múltiples exploraciones a intervalos de tiempo específicos. Reduce significativamente el tiempo, el esfuerzo y los posibles errores del usuario. Los cambios progresivos en la morfología de la superficie se supervisan continuamente y se registran en tiempo real a medida que se seca la pintura, lo que proporciona información valiosa sobre el mecanismo de secado de la pintura.

Los datos mostrados aquí representan sólo una fracción de los cálculos disponibles en el software de análisis. Los perfilómetros NANOVEA son capaces de medir prácticamente cualquier superficie, ya sea transparente, oscura, reflectante u opaca.

 

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Prueba de desgaste del revestimiento de PTFE

ENSAYO DE DESGASTE DEL REVESTIMIENTO DE PTFE

UTILIZANDO TRIBÓMETROS Y COMPROBADORES MECÁNICOS

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

El politetrafluoroetileno (PTFE), conocido comúnmente como teflón, es un polímero con un coeficiente de fricción (COF) excepcionalmente bajo y una excelente resistencia al desgaste, en función de las cargas aplicadas. El PTFE presenta una inercia química superior, un alto punto de fusión de 327°C (620°F) y mantiene una alta resistencia, tenacidad y autolubricación a bajas temperaturas. La excepcional resistencia al desgaste de los revestimientos de PTFE hace que sean muy solicitados en una amplia gama de aplicaciones industriales, como la automoción, la industria aeroespacial, la medicina y, sobre todo, los utensilios de cocina.

IMPORTANCIA DE LA EVALUACIÓN CUANTITATIVA DE LOS REVESTIMIENTOS DE PTFE

La combinación de un coeficiente de fricción (COF) superbajo, una excelente resistencia al desgaste y una excepcional inercia química a altas temperaturas hace del PTFE una opción ideal para los revestimientos antiadherentes de sartenes. Para mejorar aún más sus procesos mecánicos durante la I+D, así como para garantizar un control óptimo sobre la prevención de fallos y las medidas de seguridad en el proceso de control de calidad, es crucial disponer de una técnica fiable para evaluar cuantitativamente los procesos tribomecánicos de los revestimientos de PTFE. El control preciso de la fricción superficial, el desgaste y la adherencia de los revestimientos es esencial para garantizar su rendimiento previsto.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, se simula el proceso de desgaste de un revestimiento de PTFE para una sartén antiadherente utilizando el Tribómetro NANOVEA en modo lineal alternativo.

NANOVEA T50

Tribómetro compacto de peso libre

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Además, se utilizó el probador mecánico NANOVEA para realizar una prueba de adherencia por microarañazos con el fin de determinar la carga crítica del fallo de adherencia del revestimiento de PTFE.

NANOVEA PB1000

Comprobador mecánico de gran plataforma

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PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

PRUEBA DE DESGASTE

DESGASTE LINEAL ALTERNATIVO MEDIANTE TRIBÓMETRO

El comportamiento tribológico de la muestra de revestimiento de PTFE, incluido el coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste, se evaluó utilizando el tribómetro NANOVEA en modo alternativo lineal. Se utilizó una punta de bola de acero inoxidable 440 con un diámetro de 3 mm (Grado 100) contra el revestimiento. El COF se monitorizó continuamente durante la prueba de desgaste del revestimiento de PTFE.

 

La tasa de desgaste, K, se calculó mediante la fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), donde V representa 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 carreras. Los profiles de la pista de desgaste se evaluaron utilizando el Profilómetro Óptico NANOVEA, y la morfología de la pista de desgaste se examinó utilizando un microscopio óptico.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE DESGASTE

CARGA 30 N
DURACIÓN DE LA PRUEBA 5 minutos
TASA DE DESLIZAMIENTO 80 rpm
AMPLITUD DE VÍA 8 mm
REVOLUCIONES 300
DIÁMETRO DE LA BOLA 3 mm
MATERIAL DE LA BOLA Acero inoxidable 440
LUBRICANTE Ninguno
ATMOSFERA Aire
TEMPERATURA 230C (RT)
HUMEDAD 43%

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

PRUEBA DE RASPADO

PRUEBA DE ADHERENCIA AL MICROARAÑAZO CON UN COMPROBADOR MECÁNICO

La medición de la adherencia al rayado del PTFE se llevó a cabo utilizando el NANOVEA Mechanical Tester con un palpador de diamante de 1200 Rockwell C (200 μm de radio) en el modo Micro Scratch Tester.

 

Para garantizar la reproducibilidad de los resultados, se realizaron tres pruebas en condiciones idénticas.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE RASCADO

TIPO DE CARGA Progresiva
CARGA INICIAL 0,01 mN
CARGA FINAL 20 mN
TASA DE CARGA 40 mN/min
LONGITUD DEL RASPADO 3 mm
VELOCIDAD DE RASGADO, dx/dt 6,0 mm/min
GEOMETRÍA DEL PENETRADOR 120o Rockwell C
MATERIAL INDENTADO (punta) Diamante
RADIO DE LA PUNTA DEL PENETRADOR 200 μm

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

DESGASTE LINEAL ALTERNATIVO MEDIANTE TRIBÓMETRO

El COF registrado in situ se muestra en la FIGURA 1. La muestra de ensayo mostró un COF de ~0,18 durante las 130 primeras revoluciones, debido a la baja pegajosidad del PTFE. Sin embargo, se produjo un aumento repentino del COF a ~1 una vez que el revestimiento se rompió, dejando al descubierto el sustrato subyacente. Tras las pruebas de vaivén lineal, se midió el profil de la huella de desgaste utilizando el Profilómetro óptico sin contacto NANOVEA, como se muestra en la FIGURA 2. A partir de los datos obtenidos, la tasa de desgaste correspondiente se calculó en ~2,78 × 10-3 mm3/Nm, mientras que la profundidad de la huella de desgaste se determinó en 44,94 µm.

Configuración de la prueba de desgaste del revestimiento de PTFE en el tribómetro NANOVEA T50.

FIGURA 1: Evolución del COF durante el ensayo de desgaste del revestimiento de PTFE.

FIGURA 2: Profile de extracción de la pista de desgaste PTFE.

PTFE Antes de la ruptura

COF máximo 0.217
Mín COF 0.125
COF medio 0.177

PTFE Después de la ruptura

COF máximo 0.217
Mín COF 0.125
COF medio 0.177

TABLA 1: COF antes y después de la rotura durante la prueba de desgaste.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

PRUEBA DE ADHERENCIA AL MICROARAÑAZO CON UN COMPROBADOR MECÁNICO

La adherencia del revestimiento de PTFE al sustrato se mide mediante ensayos de rayado con un estilete de diamante de 200 µm. La micrografía se muestra en la FIGURA 3 y FIGURA 4, la evolución del COF, y la profundidad de penetración en la FIGURA 5. Los resultados de la prueba de rayado del recubrimiento de PTFE se resumen en la TABLA 4. A medida que aumentaba la carga sobre el estilete de diamante, éste penetraba progresivamente en el revestimiento, lo que provocaba un aumento del COF. Cuando se alcanzó una carga de ~8,5 N, se produjo la ruptura del revestimiento y la exposición del sustrato a alta presión, lo que dio lugar a un COF elevado de ~0,3. El bajo St Dev mostrado en la TABLA 2 demuestra la repetibilidad del ensayo de rayado del revestimiento de PTFE realizado con el Comprobador Mecánico NANOVEA.

FIGURA 3: Micrografía del rayado completo sobre PTFE (10X).

FIGURA 4: Micrografía del rayado completo sobre PTFE (10X).

FIGURA 5: Gráfico de fricción que muestra la línea del punto crítico de fallo para el PTFE.

Rayado Punto de fallo [N] Fuerza de rozamiento [N] COF
1 0.335 0.124 0.285
2 0.337 0.207 0.310
3 0.380 0.229 0.295
Media 8.52 2.47 0.297
St dev 0.17 0.16 0.012

TABLA 2: Resumen de la carga crítica, la fuerza de fricción y el COF durante la prueba de rayado.

CONCLUSIÓN

En este estudio, realizamos una simulación del proceso de desgaste de un revestimiento de PTFE para sartenes antiadherentes utilizando el tribómetro NANOVEA T50 en modo lineal alternativo. El recubrimiento de PTFE exhibió un bajo COF de ~0,18 el recubrimiento experimentó una ruptura alrededor de las 130 revoluciones. La evaluación cuantitativa de la adhesión del revestimiento de PTFE al sustrato metálico se realizó utilizando el comprobador mecánico NANOVEA, que determinó que la carga crítica del fallo de adhesión del revestimiento era de ~8,5 N en esta prueba.

 

Los tribómetros NANOVEA ofrecen capacidades de ensayo de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM. Ofrecen módulos opcionales para desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión, todo integrado en un único sistema. Esta versatilidad permite a los usuarios simular entornos de aplicación reales con mayor precisión y comprender mejor los mecanismos de desgaste y las propiedades tribológicas de distintos materiales.

 

Los comprobadores mecánicos NANOVEA cuentan con módulos Nano, Micro y Macro, cada uno de los cuales incluye modos de ensayo de indentación, rayado y desgaste conformes con las normas ISO y ASTM, proporcionando la gama más amplia y fácil de usar de capacidades de ensayo disponibles en un solo sistema.

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Cartografía de desgaste progresivo de pavimentos mediante tribómetro

Mapa de desgaste progresivo del suelo

Uso del tribómetro con perfilómetro integrado

Preparado por

FRANK LIU

INTRODUCCIÓN

Los materiales de los suelos están diseñados para ser duraderos, pero a menudo sufren el desgaste de actividades cotidianas como el movimiento y el uso de muebles. Para garantizar su longevidad, la mayoría de los tipos de suelos tienen una capa protectora que resiste los daños. Sin embargo, el grosor y la durabilidad de la capa de desgaste varían en función del tipo de flooring y del nivel de traffic de los pies. Además, las distintas capas dentro de la estructura del revestimiento, como los recubrimientos UV, las capas decorativas y el esmalte, tienen distintos índices de desgaste. Ahí es donde entra en juego el mapeo progresivo del desgaste. Utilizando el tribómetro NANOVEA T2000 con un profilómetro 3D sin contacto integrado, se puede realizar un seguimiento preciso y un análisis del rendimiento y la longevidad de los materiales de revestimiento. Al proporcionar una visión detallada del comportamiento de desgaste de diversos materiales de agarre, los científicos y los profesionales técnicos pueden tomar decisiones más informadas al seleccionar y diseñar nuevos sistemas de agarre.

IMPORTANCIA DE LA CARTOGRAFÍA DEL DESGASTE PROGRESIVO DE LOS PANELES DE SUELO

Los ensayos de suelos se han centrado tradicionalmente en la tasa de desgaste de una muestra para determinar su durabilidad frente al desgaste. Sin embargo, el mapeo progresivo del desgaste permite analizar la tasa de desgaste de la muestra a lo largo de la prueba, lo que proporciona información valiosa sobre su comportamiento frente al desgaste. Este análisis en profundidad permite establecer correlaciones entre los datos de fricción y la tasa de desgaste, lo que puede identificar las causas fundamentales del desgaste. Cabe señalar que las tasas de desgaste no son constantes a lo largo de las pruebas de desgaste. Por lo tanto, la observación de la progresión del desgaste proporciona una evaluación más precisa del desgaste de la muestra. Más allá de los métodos de ensayo tradicionales, la adopción de la cartografía de desgaste progresivo ha contribuido a importantes avances en el campo de los ensayos de suelos.

El tribómetro NANOVEA T2000 con perfilómetro 3D sin contacto integrado es una solución innovadora para pruebas de desgaste y mediciones de pérdida de volumen. Su capacidad para moverse con precisión entre el perno y el perfilómetro garantiza la fiabilidad de los resultados al eliminar cualquier desviación en el radio o la ubicación de la pista de desgaste. Pero eso no es todo: las funciones avanzadas del perfilómetro 3D sin contacto permiten realizar mediciones de superficies a alta velocidad, reduciendo el tiempo de exploración a unos segundos. Con capacidad para aplicar cargas de hasta 2.000 N y alcanzar velocidades de giro de hasta 5.000 rpm, el tribómetro NANOVEA T2000 ofrece versatilidad y precisión en el proceso de evaluación. Está claro que este equipo desempeña un papel vital en la cartografía del desgaste progresivo.

 

FIGURA 1: Montaje de la muestra antes de la prueba de desgaste (izquierda) y perfilometría de la huella de desgaste tras la prueba de desgaste (derecha).

OBJETIVO DE MEDICIÓN

Se realizaron pruebas de mapeo de desgaste progresivo en dos tipos de materiales para suelos: piedra y madera. Cada muestra se sometió a un total de 7 ciclos de prueba, con duraciones de prueba crecientes de 2, 4, 8, 20, 40, 60 y 120 s, lo que permitió comparar el desgaste a lo largo del tiempo. Después de cada ciclo de prueba, se perfiló la pista de desgaste utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA 3D. A partir de los datos recogidos por el perfilómetro, se puede analizar el volumen del agujero y la tasa de desgaste utilizando las funciones integradas en el software NANOVEA Tribometer o nuestro software de análisis de superficies, Mountains.

NANOVEA

T2000

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tribómetro
muestras de ensayo de cartografía de desgaste madera y piedra

 LAS MUESTRAS 

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE CARTOGRAFÍA DE DESGASTE

CARGA40 N
DURACIÓN DE LA PRUEBAvaría
VELOCIDAD200 rpm
RADIUS10 mm
DISTANCIAvaría
MATERIAL DE LA BOLACarburo de tungsteno
DIÁMETRO DE LA BOLA10 mm

La duración de la prueba utilizada en los 7 ciclos fue 2, 4, 8, 20, 40, 60 y 120 segundosrespectivamente. Las distancias recorridas fueron 0,40, 0,81, 1,66, 4,16, 8,36, 12,55 y 25,11 metros.

RESULTADOS DE LA CARTOGRAFÍA DEL DESGASTE

SUELOS DE MADERA

Ciclo de pruebasCOF máximoMín COFAvg. COF
10.3350.1240.275
20.3370.2070.295
30.3800.2290.329
40.3930.2650.354
50.3520.2050.314
60.3450.1990.312
70.3150.2110.293

 

ORIENTACIÓN RADIAL

Ciclo de pruebasPérdida de volumen total (µm3Distancia total
Recorrido (m)		Rango de Desgaste
(mm/Nm) x10-5		Índice de desgaste instantáneo
(mm/Nm) x10-5
12962476870.401833.7461833.746
23552452271.221093.260181.5637
35963713262.88898.242363.1791
48837477677.04530.629172.5496
5120717995115.40360.88996.69074
6147274531827.95293.32952.89311
7185131921053.06184.34337.69599
índice de desgaste progresivo de la madera frente a la distancia total

FIGURA 2: Índice de desgaste frente a la distancia total recorrida (izquierda)
e índice de desgaste instantáneo frente al ciclo de prueba (derecha) para suelos de madera.

cartografía del desgaste progresivo del suelo de madera

FIGURA 3: Gráfico COF y vista 3D de la huella de desgaste de la prueba #7 en suelo de madera.

mapa de desgaste perfil extraído

FIGURA 4: Análisis transversal de la pista de desgaste de madera del ensayo #7

mapeo progresivo del desgaste análisis de volumen y área

FIGURA 5: Análisis de volumen y área de la huella de desgaste en la muestra de madera Ensayo #7.

Para conocer todos los resultados, haga clic aquí.

RESULTADOS DE LA CARTOGRAFÍA DEL DESGASTE

SUELO DE PIEDRA

Ciclo de pruebasCOF máximoMín COFAvg. COF
10.2490.0350.186
20.3490.1970.275
30.2940.1540.221
40.5030.1240.273
50.5480.1060.390
60.5100.1290.434
70.5270.1810.472

 

ORIENTACIÓN RADIAL

Ciclo de pruebasPérdida de volumen total (µm3Distancia total
Recorrido (m)		Rango de Desgaste
(mm/Nm) x10-5		Índice de desgaste instantáneo
(mm/Nm) x10-5
1962788460.40595.957595.9573
28042897311.222475.1852178.889
313161478552.881982.355770.9501
431365302157.041883.2691093.013
51082173218015.403235.1802297.508
62017496034327.954018.2821862.899
74251206342053.064233.0812224.187
índice de desgaste de los suelos de piedra en función de la distancia
tabla de desgaste instantáneo de los suelos de piedra

FIGURA 6: Índice de desgaste frente a la distancia total recorrida (izquierda)
e índice de desgaste instantáneo frente al ciclo de ensayo (derecha) para suelos de piedra.

suelo de piedra 3d perfil de la pista de desgaste

FIGURA 7: Gráfico COF y vista 3D de la huella de desgaste de la prueba #7 sobre pavimento de piedra.

suelo de piedra mapeo de desgaste progresivo perfil extraído
suelo de piedra perfil extraído profundidad y altura máximas área del agujero y pico

FIGURA 8: Análisis transversal de la huella de desgaste de piedra de la prueba #7.

análisis volumétrico de la cartografía de desgaste progresivo de los suelos de madera

FIGURA 9: Análisis de volumen y área de la huella de desgaste en la muestra de piedra de ensayo #7.


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DEBATE

El índice de desgaste instantáneo se calcula con la siguiente ecuación:
fórmula de desgaste progresivo del suelo

Donde V es el volumen de un agujero, N es la carga y X es la distancia total, esta ecuación describe la tasa de desgaste entre ciclos de prueba. La tasa de desgaste instantánea puede utilizarse para identificar mejor los cambios en la tasa de desgaste a lo largo de la prueba.

Ambas muestras tienen comportamientos de desgaste muy diferentes. Con el tiempo, el suelo de madera comienza con un índice de desgaste elevado, pero desciende rápidamente a un valor más pequeño y constante. En el caso del suelo de piedra, el índice de desgaste parece comenzar con un valor bajo y tiende a aumentar con el paso de los ciclos. El índice de desgaste instantáneo también muestra poca consistencia. La razón específica de esta diferencia no es segura, pero puede deberse a la estructura de las muestras. El suelo de piedra parece estar formado por partículas sueltas similares al grano, que se desgastarían de forma diferente en comparación con la estructura compacta de la madera. Sería necesario realizar más pruebas e investigaciones para determinar la causa de este comportamiento de desgaste.

Los datos del coeficiente de fricción (COF) parecen concordar con el comportamiento de desgaste observado. El gráfico del COF para el suelo de madera parece consistente a lo largo de los ciclos, complementando su tasa de desgaste constante. En el caso de los suelos de piedra, el COF medio aumenta a lo largo de los ciclos, de forma similar a como lo hace la tasa de desgaste. También hay cambios aparentes en la forma de los gráficos de fricción, lo que sugiere cambios en la forma en que la bola interactúa con la muestra de piedra. Esto es más evidente en los ciclos 2 y 4.

CONCLUSIÓN

El Tribómetro NANOVEA T2000 muestra su capacidad para realizar un mapeo de desgaste progresivo analizando la tasa de desgaste entre dos muestras de pavimento diferentes. Detener el ensayo de desgaste continuo y escanear la superficie con el perfilómetro sin contacto NANOVEA 3D proporciona información valiosa sobre el comportamiento de desgaste del material a lo largo del tiempo.

El Tribómetro NANOVEA T2000 con el perfilómetro 3D sin contacto integrado proporciona una amplia variedad de datos, incluyendo datos COF (Coeficiente de Fricción), mediciones de superficie, lecturas de profundidad, visualización de superficie, pérdida de volumen, tasa de desgaste y más. Este amplio conjunto de información permite a los usuarios obtener una comprensión más profunda de las interacciones entre el sistema y la muestra. Con su carga controlada, alta precisión, facilidad de uso, alta carga, amplio rango de velocidad y módulos ambientales adicionales, el tribómetro NANOVEA T2000 lleva la tribología al siguiente nivel.

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Análisis mecánico dinámico del corcho mediante nanoindentación

ANÁLISIS MECÁNICO DINÁMICO

DEL CORCHO MEDIANTE NANOINDENTACIÓN

Preparado por

FRANK LIU

INTRODUCCIÓN

El Análisis Mecánico Dinámico (AMD) es una potente técnica utilizada para investigar las propiedades mecánicas de los materiales. En esta aplicación, nos centramos en el análisis del corcho, un material muy utilizado en los procesos de sellado y envejecimiento del vino. El corcho, obtenido de la corteza del roble Quercus suber, presenta distintas estructuras celulares que le confieren propiedades mecánicas similares a las de los polímeros sintéticos. En un eje, el corcho tiene estructura de panal. Los otros dos ejes están estructurados en múltiples prismas de forma rectangular. Esto confiere al corcho propiedades mecánicas diferentes según la orientación con la que se pruebe.

IMPORTANCIA DE LOS ENSAYOS DE ANÁLISIS MECÁNICO DINÁMICO (DMA) EN LA EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL CORCHO

La calidad de los tapones de corcho depende en gran medida de sus propiedades mecánicas y físicas, que son cruciales para su eficacia en el sellado del vino. Los factores clave que determinan la calidad del corcho son la flexibilidad, el aislamiento, la resistencia y la impermeabilidad a gases y líquidos. El análisis mecánico dinámico (AMD) nos permite evaluar cuantitativamente las propiedades de flexibilidad y resiliencia de los tapones, proporcionando un método fiable de evaluación.

El Comprobador Mecánico NANOVEA PB1000 en el Nanoindentación permite caracterizar estas propiedades, en concreto el módulo de Young, el módulo de almacenamiento, el módulo de pérdida y tan delta (tan (δ)). Las pruebas DMA también permiten recopilar datos valiosos sobre el desplazamiento de fase, la dureza, la tensión y la deformación del material de corcho. Gracias a estos exhaustivos análisis, podemos comprender mejor el comportamiento mecánico de los corchos y su idoneidad para las aplicaciones de sellado del vino.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, se realiza el análisis mecánico dinámico (AMD) de cuatro tapones de corcho utilizando el Probador Mecánico NANOVEA PB1000 en el modo de Nanoindentación. La calidad de los tapones de corcho se etiqueta como: 1 - Flor, 2 - Primera, 3 - Colmatado, 4 - Caucho sintético. Los ensayos de indentación DMA se realizaron tanto en dirección axial como radial para cada tapón de corcho. Mediante el análisis de la respuesta mecánica de los tapones de corcho, pretendíamos comprender mejor su comportamiento dinámico y evaluar su rendimiento en distintas orientaciones.

NANOVEA

PB1000

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PARÁMETROS DE LA PRUEBA

FUERZA MÁXIMA75 mN
TASA DE CARGA150 mN/min
TASA DE DESCARGA150 mN/min
AMPLITUD5 mN
FRECUENCIA1 Hz
CREEP60 s

tipo de penetrador

Bola

51200 Acero

3 mm Diámetro

RESULTADOS

En las tablas y gráficos siguientes, se comparan el módulo de Young, el módulo de almacenamiento, el módulo de pérdida y tan delta entre cada muestra y orientación.

Módulo de Young: Stiffness; valores altos indican stiff, valores bajos indican flexible.

Módulo de almacenamiento: Respuesta elástica; energía almacenada en el material.

Módulo de pérdida: Respuesta viscosa; pérdida de energía debida al calor.

Tan (δ): Amortiguación; los valores altos indican más amortiguación.

ORIENTACIÓN AXIAL

TapónMÓDULO DE YOUNGMÓDULO DE ALMACENAMIENTOMÓDULO DE PÉRDIDATAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
122.567522.272093.6249470.162964
218.5466418.271533.1623490.17409
323.7538123.472673.6178190.154592
423.697223.580642.3470080.099539



ORIENTACIÓN RADIAL

TapónMÓDULO DE YOUNGMÓDULO DE ALMACENAMIENTOMÓDULO DE PÉRDIDATAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
124.7886324.565423.3082240.134865
226.6661426.317394.2862160.163006
344.0786743.614266.3659790.146033
428.0475127.941482.4359780.087173

MÓDULO DE YOUNG

MÓDULO DE ALMACENAMIENTO

MÓDULO DE PÉRDIDA

TAN DELTA

Entre los tapones de corcho, el módulo de Young no es muy diferente cuando se ensaya en la orientación axial. Sólo los tapones #2 y #3 mostraron una diferencia aparente en el módulo de Young entre la dirección radial y axial. En consecuencia, el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdida también serán mayores en la dirección radial que en la axial. El tapón #4 muestra características similares a las de los tapones de corcho natural, excepto en el módulo de pérdida. Esto es bastante interesante, ya que significa que los tapones de corcho natural tienen una propiedad más viscosa que el material de caucho sintético.

CONCLUSIÓN

El NANOVEA Mechanical Tester en el modo Nano Scratch Tester permite la simulación de muchos fallos reales de revestimientos de pintura y capas duras. Aplicando cargas crecientes de forma controlada y estrechamente monitorizada, el instrumento permite identificar a qué carga se producen los fallos. Esto puede utilizarse para determinar valores cuantitativos de resistencia al rayado. Se sabe que el revestimiento ensayado, sin intemperie, presenta una primera fisura a unos 22 mN. Con valores más próximos a 5 mN, es evidente que el lapso de 7 años ha degradado la pintura.

La compensación del perfil original permite obtener la profundidad corregida durante el rayado y también medir la profundidad residual después del rayado. Esto proporciona información adicional sobre el comportamiento plástico frente al elástico del revestimiento bajo una carga creciente. Tanto el agrietamiento como la información sobre la deformación pueden ser de gran utilidad para mejorar el revestimiento duro. Las muy pequeñas desviaciones estándar también muestran la reproducibilidad de la técnica del instrumento, que puede ayudar a los fabricantes a mejorar la calidad de su revestimiento duro/pintura y estudiar los efectos de la intemperie.

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Ensayo Nano Scratch & Mar de pintura sobre sustrato metálico

Pruebas Nano Scratch & Mar

de pintura sobre sustrato metálico

Preparado por

SUSANA CABELLO

INTRODUCCIÓN

La pintura con o sin revestimiento duro es uno de los revestimientos más utilizados. La vemos en coches, paredes, electrodomésticos y prácticamente cualquier cosa que necesite un revestimiento protector o simplemente con fines estéticos. Las pinturas destinadas a la protección del sustrato subyacente suelen tener sustancias químicas que evitan que la pintura se incendie o simplemente que pierda su color o se agriete. A menudo, la pintura utilizada con fines estéticos viene en varios colores, pero puede no estar necesariamente destinada a la protección de su sustrato o para una larga vida útil.

No obstante, todas las pinturas sufren cierto desgaste con el paso del tiempo. A menudo, el desgaste de la pintura puede alterar sus propiedades. Puede desconcharse más rápido, descascararse con el calor, perder color o agrietarse. Los diferentes cambios en las propiedades de la pintura con el paso del tiempo son la razón por la que los fabricantes ofrecen una selección tan amplia. Las pinturas se adaptan a las necesidades de cada cliente.

IMPORTANCIA DE LOS ENSAYOS DE NANORRAYADO PARA EL CONTROL DE CALIDAD

Una de las principales preocupaciones de los fabricantes de pintura es la capacidad de su producto para resistir el agrietamiento. Una vez que la pintura empieza a agrietarse, deja de proteger el sustrato sobre el que se aplicó y, por tanto, no satisface al cliente. Por ejemplo, si una rama golpea el lateral de un coche e inmediatamente después la pintura empieza a desconcharse, los fabricantes de la pintura perderían negocio debido a la mala calidad de su pintura. La calidad de la pintura es muy importante porque si el metal bajo la pintura queda expuesto puede empezar a oxidarse o corroerse debido a su nueva exposición.

 

Razones como ésta se aplican a varios otros espectros, como suministros domésticos y de oficina y productos electrónicos, juguetes, herramientas de investigación y más. Aunque la pintura puede ser resistente al agrietamiento cuando se aplica por primera vez a los revestimientos metálicos, las propiedades pueden cambiar con el tiempo cuando se ha producido cierto desgaste en la muestra. Por eso es muy importante que las muestras de pintura se prueben en su fase de envejecimiento. Aunque el agrietamiento bajo una gran carga de tensión puede ser inevitable, el fabricante debe predecir hasta qué punto pueden debilitarse los cambios con el tiempo y la profundidad del arañazo affectante para poder ofrecer a sus consumidores los mejores productos posibles.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

Debemos simular el proceso de rayado de forma controlada y monitorizada para observar los effectos del comportamiento de la muestra. En esta aplicación, el NANOVEA PB1000 Mechanical Tester en modo Nano Scratch Testing se utiliza para medir la carga necesaria para provocar el fallo de una muestra de pintura de aproximadamente 7 años de 30-50 μm de espesor sobre un sustrato metálico.

Se utiliza un palpador con punta de diamante de 2 μm con una carga progresiva que oscila entre 0,015 mN y 20,00 mN para rayar el revestimiento. Realizamos una exploración previa y posterior de la pintura con una carga de 0,2 mN para determinar el valor de la profundidad verdadera del rayado. La profundidad real analiza la deformación plástica y elástica de la muestra durante la prueba; mientras que el escaneado posterior sólo analiza la deformación plástica del arañazo. El punto en el que el revestimiento falla por agrietamiento se toma como punto de fallo. Utilizamos la ASTMD7187 como guía para determinar nuestros parámetros de ensayo.

 

Podemos concluir que al haber utilizado una muestra envejecida; por lo tanto, el ensayo de una muestra de pintura en su fase más débil, nos presentaba menores puntos de fallo.

 

Se realizaron cinco pruebas con esta muestra para

determinar con exactitud las cargas críticas de fallo.

NANOVEA

PB1000

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PARÁMETROS DE LA PRUEBA

siguiente ASTM D7027

La superficie de un patrón de rugosidad se escaneó utilizando un NANOVEA ST400 equipado con un sensor de alta velocidad que genera una línea brillante de 192 puntos, como se muestra en la FIGURA 1. Estos 192 puntos escanean la superficie de la muestra al mismo tiempo, lo que conlleva un aumento significativo de la velocidad de escaneado.

TIPO DE CARGA Progresiva
CARGA INICIAL 0,015 mN
CARGA FINAL 20 mN
TASA DE CARGA 20 mN/min
LONGITUD DEL RASPADO 1,6 mm
VELOCIDAD SCRATCH, dx/dt 1.601 mm/min
CARGA PREVIA AL ESCANEO 0,2 mN
CARGA POST-SCAN 0,2 mN
Indentador cónico 90° Cono 2 µm radio punta

tipo de penetrador

Cónica

Cono diamante 90

Radio de punta de 2 µm

Indentador cónico Diamante Cono 90° Radio de punta 2 µm

RESULTADOS

Esta sección presenta los datos recogidos sobre los fallos durante la prueba scratch. La primera sección describe los fallos observados en el scratch y define las cargas críticas que se registraron. La siguiente parte contiene una tabla resumen de las cargas críticas para todas las muestras y una representación gráfica. La última parte presenta los resultados detallados de cada muestra: las cargas críticas de cada rayado, las micrografías de cada fallo y el gráfico de la prueba.

FALLOS OBSERVADOS Y DEFINICIÓN DE CARGAS CRÍTICAS

FALLO CRÍTICO:

DAÑOS INICIALES

Este es el primer punto en el que se observa el daño a lo largo de la pista de rayado.

nano arañazo fallo crítico daño inicial

FALLO CRÍTICO:

DAÑO TOTAL

En este punto, el daño es más significativo donde la pintura se está astillando y agrietando a lo largo de la pista de arañazos.

nano arañazo fallo crítico daño completo

RESULTADOS DETALLADOS

* Valores de fallo tomados en el punto de agrietamiento del sustrato.

CARGAS CRÍTICAS
RAYADO DAÑO INICIAL [mN] DAÑO COMPLETO [µm]
1 14.513 4.932
2 3.895 4.838
3 3.917 4.930
MEDIA 3.988 4.900
DEV STD 0.143 0.054
Micrografía de arañazo completo de la prueba de nano arañazo (magnificación 1000x).

FIGURA 2: Micrografía de rasguño completo (magnificación 1000x).

Micrografía del daño inicial del ensayo de nanorrayado (magnificación 1000x)

FIGURA 3: Micrografía del daño inicial (magnificación 1000x).

Micrografía del daño completo del ensayo de nanorrayado (magnificación 1000x).

FIGURA 4: Micrografía de daño completo (magnificación 1000x).

Fuerza de fricción y coeficiente de fricción en el ensayo lineal de nanorrayado

FIGURA 5: Fuerza de fricción y Coefficiente de fricción.

Perfil lineal de superficie de nano arañazos

FIGURA 6: Perfil de la superficie.

Linear Nano Scratch Test Profundidad real y profundidad residual

FIGURA 7: Profundidad real y profundidad residual.

CONCLUSIÓN

El Comprobador Mecánico NANOVEA en el Nano comprobador de arañazos permite simular muchos fallos reales de revestimientos de pintura y capas duras. Aplicando cargas crecientes de forma controlada y estrechamente vigilada, el instrumento permite identificar a qué carga se producen los fallos. Esto puede utilizarse para determinar valores cuantitativos de resistencia al rayado. Se sabe que el revestimiento ensayado, sin intemperie, presenta una primera fisura a unos 22 mN. Con valores más próximos a 5 mN, es evidente que el lapso de 7 años ha degradado la pintura.

La compensación del perfil original permite obtener la profundidad corregida durante el rayado y medir la profundidad residual después del rayado. Esto proporciona información adicional sobre el comportamiento plástico frente al elástico del revestimiento bajo una carga creciente. Tanto el rayado como la información sobre la deformación pueden ser de gran utilidad para mejorar el revestimiento duro. Las muy pequeñas desviaciones estándar también muestran la reproducibilidad de la técnica del instrumento, que puede ayudar a los fabricantes a mejorar la calidad de su revestimiento duro/pintura y estudiar los effectos de la intemperie.

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Inspección de mapas de rugosidad mediante perfilometría 3D

INSPECCIÓN CARTOGRÁFICA DE LA RUGOSIDAD

UTILIZANDO LA PERFILOMETRÍA 3D

Preparado por

DUANJIE, PhD

INTRODUCCIÓN

La rugosidad y la textura de la superficie son factores críticos que influyen en la calidad final y el rendimiento de un producto. Un conocimiento profundo de la rugosidad, la textura y la consistencia de la superficie es esencial para seleccionar las mejores medidas de procesamiento y control. La inspección en línea rápida, cuantificable y fiable de las superficies de los productos es necesaria para identificar a tiempo los productos defectuosos y optimizar las condiciones de la línea de producción.

IMPORTANCIA DEL PERFILOMETRO 3D SIN CONTACTO PARA LA INSPECCION EN LINEA DE SUPERFICIES

Los defectos superficiales de los productos son el resultado del procesamiento de los materiales y la fabricación de los productos. La inspección en línea de la calidad de la superficie garantiza el más estricto control de calidad de los productos finales. Los perfiladores ópticos sin contacto NANOVEA 3D utilizan la tecnología de luz cromática con una capacidad única para determinar la rugosidad de una muestra sin contacto. El sensor de línea permite escanear el perfil 3D de una gran superficie a gran velocidad. El umbral de rugosidad, calculado en tiempo real por el software de análisis, sirve como herramienta rápida y fiable de pasa/no pasa.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, el NANOVEA ST400 equipado con un sensor de alta velocidad se utiliza para inspeccionar la superficie de una muestra de Teflon con defecto para mostrar la capacidad de NANOVEA

Profilómetros sin contacto en proporcionar una inspección de superficies rápida y fiable en una línea de producción.

NANOVEA

ST400

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RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Análisis tridimensional de la superficie del Rugosidad Muestra estándar

La superficie de un patrón de rugosidad se escaneó utilizando un NANOVEA ST400 equipado con un sensor de alta velocidad que genera una línea brillante de 192 puntos, como se muestra en la FIGURA 1. Estos 192 puntos escanean la superficie de la muestra al mismo tiempo, lo que conlleva un aumento significativo de la velocidad de escaneado.

La FIGURA 2 muestra vistas en falso color del Mapa de Altura de la Superficie y del Mapa de Distribución de la Rugosidad de la Muestra Estándar de Rugosidad. En la FIGURA 2a, el Estándar de Rugosidad exhibe una superficie ligeramente inclinada como se representa por el gradiente de color variado en cada uno de los bloques de rugosidad estándar. En la FIGURA 2b, se muestra una distribución homogénea de la rugosidad en differentes bloques de rugosidad, cuyo color representa la rugosidad en los bloques.

La FIGURA 3 muestra ejemplos de los mapas de aprobado/no aprobado generados por el software de análisis en función de diferentes umbrales de rugosidad. Los bloques de rugosidad se resaltan en rojo cuando su rugosidad superficial está por encima de un determinado valor umbral establecido. Esto proporciona una herramienta para que el usuario establezca un umbral de rugosidad para determinar la calidad del acabado superficial de una muestra.

FIGURA 1: Barrido del sensor óptico de líneas en la muestra del patrón de rugosidad

a. Mapa de altura de la superficie:

b. Mapa de rugosidad:

FIGURA 2: Vistas en falso color del Mapa de Altura de Superficie y del Mapa de Distribución de Rugosidad de la Muestra Estándar de Rugosidad.

FIGURA 3: Mapa Pasa/Falla basado en el Umbral de Rugosidad.

Inspección superficial de una muestra de Teflon con defectos

En la FIGURA 4 se muestran el mapa de altura de la superficie, el mapa de distribución de la rugosidad y el mapa de umbral de rugosidad Pasa/Falla de la superficie de la muestra de Teflon. La muestra de Teflon presenta una cresta en el centro derecho de la muestra, como se muestra en el mapa de altura de la superficie.

a. Mapa de altura de la superficie:

Los differentes colores en la paleta de la FIGURA 4b representan el valor de rugosidad en la superficie local. El mapa de rugosidad muestra una rugosidad homogénea en la zona intacta de la muestra de Teflon. Sin embargo, los defectos, en las formas de un anillo indentado y una cicatriz de desgaste se destacan en color brillante. El usuario puede configurar fácilmente un umbral de rugosidad Pasa/Falla para localizar los defectos superficiales, como se muestra en la FIGURA 4c. Esta herramienta permite a los usuarios controlar in situ la calidad de la superficie del producto en la línea de producción y descubrir a tiempo los productos defectuosos. El valor de rugosidad en tiempo real se calcula y registra a medida que los productos pasan por el sensor óptico en línea, lo que puede servir como una herramienta rápida pero fiable para el control de calidad.

b. Mapa de rugosidad:

c. Mapa de umbrales de rugosidad Pasa/Falla:

FIGURA 4: Mapa de altura de la superficie, mapa de distribución de la rugosidad y Mapa de umbral de rugosidad Pasa/Falla de la superficie de la muestra de Teflon.

CONCLUSIÓN

En esta aplicación, hemos demostrado cómo el perfilador óptico sin contacto 3D NANOVEA ST400 equipado con un sensor óptico de línea funciona como una herramienta de control de calidad fiable de manera eficaz y eficiente.

El sensor óptico de línea genera una línea brillante de 192 puntos que escanean la superficie de la muestra al mismo tiempo, lo que aumenta significativamente la velocidad de escaneado. Puede instalarse en la línea de producción para controlar in situ la rugosidad de la superficie de los productos. El umbral de rugosidad funciona como un criterio fiable para determinar la calidad de la superficie de los productos, lo que permite a los usuarios detectar a tiempo los productos defectuosos.

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 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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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

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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

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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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