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Prueba de desgaste del bloque sobre el anillo
IMPORTANCIA DE LA EVALUACIÓN DEL DESGASTE DEL BLOQUE SOBRE EL ANILLO
El desgaste por deslizamiento es la pérdida progresiva de material que resulta del deslizamiento de dos materiales entre sí en la zona de contacto bajo carga. Se produce inevitablemente en una gran variedad de industrias en las que funcionan máquinas y motores, como la automoción, la industria aeroespacial, el petróleo y el gas y muchas otras. Este movimiento de deslizamiento provoca un grave desgaste mecánico y la transferencia de material en la superficie, lo que puede provocar una reducción de la eficacia de la producción, del rendimiento de la máquina o incluso dañarla.
El desgaste por deslizamiento suele implicar complejos mecanismos de desgaste que tienen lugar en la superficie de contacto, como el desgaste por adherencia, la abrasión de dos cuerpos, la abrasión de tres cuerpos y el desgaste por fatiga. El comportamiento del desgaste de los materiales está muy influenciado por el entorno de trabajo, como la carga normal, la velocidad, la corrosión y la lubricación. Un tribómetro versátil que pueda simular las diferentes condiciones de trabajo realistas será ideal para la evaluación del desgaste.
El ensayo Block-on-Ring (ASTM G77) es una técnica ampliamente utilizada que evalúa los comportamientos de desgaste por deslizamiento de los materiales en diferentes condiciones simuladas, permitiendo una clasificación fiable de las parejas de materiales para aplicaciones tribológicas específicas.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En esta aplicación, el Probador Mecánico Nanovea mide el YS y el UTS de muestras de aleación metálica de acero inoxidable SS304 y aluminio Al6061. Las muestras se eligieron por sus valores de YS y UTS comúnmente reconocidos, lo que demuestra la fiabilidad de los métodos de indentación de Nanovea.
El comportamiento de desgaste por deslizamiento de un bloque H-30 sobre un anillo S-10 fue evaluado por el tribómetro de Nanovea utilizando el módulo Block-on-Ring. El bloque H-30 está hecho de acero para herramientas 01 de dureza 30HRC, mientras que el anillo S-10 es de acero tipo 4620 de dureza superficial 58 a 63 HRC y diámetro de anillo de ~34,98 mm. Se realizaron pruebas de bloque sobre anillo en entornos secos y lubricados para investigar el efecto sobre el comportamiento de desgaste. Las pruebas de lubricación se realizaron en aceite mineral pesado USP. La huella de desgaste se examinó con el perfilómetro 3D sin contacto de Nanovea. Los parámetros de la prueba se resumen en la Tabla 1. La tasa de desgaste (K), se evaluó utilizando la fórmula K=V/(F×s), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La figura 2 compara el coeficiente de fricción (COF) de las pruebas de bloque sobre anillo en entornos secos y lubricados. El bloque tiene una fricción significativamente mayor en un entorno seco que en un entorno lubricado. EL COF fluctúa durante el periodo de rodaje en las primeras 50 revoluciones y alcanza un COF constante de ~0,8 durante el resto de la prueba de desgaste de 200 revoluciones. En comparación, la prueba Block-on-Ring realizada en la lubricación con aceite mineral pesado USP presenta un COF bajo y constante de 0,09 durante toda la prueba de desgaste de 500.000 revoluciones. El lubricante reduce significativamente el COF entre las superficies en ~90 veces.
Las figuras 3 y 4 muestran las imágenes ópticas y los perfiles 2D de la sección transversal de las cicatrices de desgaste en los bloques después de las pruebas de desgaste en seco y con lubricación. Los volúmenes de las huellas de desgaste y las tasas de desgaste se enumeran en la Tabla 2. El bloque de acero después de la prueba de desgaste en seco a una velocidad de rotación menor de 72 rpm durante 200 revoluciones presenta un gran volumen de cicatriz de desgaste de 9,45 mm˙. En comparación, la prueba de desgaste realizada a una velocidad más alta de 197 rpm durante 500.000 revoluciones en el lubricante de aceite mineral crea un volumen de huella de desgaste sustancialmente menor de 0,03 mm˙.
Las imágenes de la ÿgura 3 muestran que se produce un desgaste severo durante las pruebas en seco en comparación con el desgaste leve de la prueba de desgaste lubricado. El alto calor y las intensas vibraciones generadas durante la prueba de desgaste en seco promueven la oxidación de los restos metálicos, lo que da lugar a una grave abrasión de tres cuerpos. En la prueba lubricada, el aceite mineral reduce la fricción y enfría la cara de contacto, además de transportar los residuos abrasivos creados durante el desgaste. Esto conduce a una reducción significativa de la tasa de desgaste en un factor de ~8×10ˆ. Una diferencia tan sustancial en la resistencia al desgaste en entornos diferentes muestra la importancia de una simulación adecuada del desgaste por deslizamiento en condiciones de servicio realistas.
El comportamiento del desgaste puede cambiar drásticamente cuando se introducen pequeños cambios en las condiciones de prueba. La versatilidad del tribómetro de Nanovea permite medir el desgaste en condiciones de alta temperatura, lubricación y tribocorrosión. El control preciso de la velocidad y la posición mediante el motor avanzado permite realizar pruebas de desgaste a velocidades que van de 0,001 a 5000 rpm, lo que lo convierte en una herramienta ideal para que los laboratorios de investigación/prueba investiguen el desgaste en di˛rentes condiciones tribológicas.
El estado de la superficie de las muestras se examinó con el proÿlómetro óptico sin contacto de Nanovea. La figura 5 muestra la morfología superficial de los anillos después de los ensayos de desgaste. Se ha eliminado la forma del cilindro para presentar mejor la morfología superficial y la rugosidad creada por el proceso de desgaste por deslizamiento. El proceso de abrasión de tres cuerpos durante el ensayo de desgaste en seco de 200 revoluciones produjo una rugosidad superficial significativa. El bloque y el anillo después de la prueba de desgaste en seco presentan una rugosidad Ra de 14,1 y 18,1 µm, respectivamente, en comparación con 5,7 y 9,1 µm para la prueba de desgaste lubricado a largo plazo de 500.000 revoluciones a una velocidad superior. Esta prueba demuestra la importancia de una lubricación adecuada del contacto entre el anillo del pistón y el cilindro. Un desgaste severo daña rápidamente la superficie de contacto sin lubricación y conduce a un deterioro irreversible de la calidad de servicio e incluso a la rotura del motor.
CONCLUSIÓN
En este estudio mostramos cómo se utiliza el tribómetro de Nanovea para evaluar el comportamiento de desgaste por deslizamiento de un par metálico de acero utilizando el módulo Block-on-Ring siguiendo la norma ASTM G77. El lubricante juega un papel crítico en las propiedades de desgaste de la pareja de materiales. El aceite mineral reduce la tasa de desgaste del bloque H-30 en un factor de ~8×10ˆ y el COF en ~90 veces. La versatilidad del tribómetro de Nanovea lo convierte en una herramienta ideal para medir el comportamiento del desgaste en diversas condiciones de lubricación, alta temperatura y tribocorrosión. El tribómetro de 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 tribocorrosión disponibles en un sistema preintegrado. La gama inigualable de Nanovea es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, ÿlms y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.
