Categoría: Tribología rotacional

Pruebas de abrasividad de rocas con el tribómetro NANOVEA

TRIBOLOGÍA DE ROCAS:PRUEBAS DE ABRASIVIDAD DE LAS ROCAS CON EL TRIBÓMETRO NANOVEA

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

INTRODUCCIÓN

Las rocas están compuestas por granos de minerales. El tipo y la abundancia de estos minerales, así como la fuerza de enlace químico entre los granos minerales, determinan las propiedades mecánicas y tribológicas de las rocas. En función de los ciclos geológicos de las rocas, éstas pueden sufrir transformaciones y suelen clasificarse en tres grandes tipos: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Estas rocas presentan 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 LAS PRUEBAS DE ABRASIVIDAD DE LAS ROCAS

Durante el proceso de perforación de pozos se producen diversos tipos de desgaste contra las rocas, como la abrasión y la fricción, que provocan 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 perforabilidad, la cortabilidad y la abrasividad de las rocas es fundamental en las industrias del petróleo, el gas y la minería. La investigación de la tribología de las rocas desempeña un papel fundamental en la selección de las estrategias de perforación más eficaces y rentables, mejorando así la eficiencia global y contribuyendo a la conservación de los materiales, la energía y el medio ambiente. Además, minimizar la fricción superficial es muy ventajoso para reducir la interacción entre la broca de perforación y la roca, lo que se traduce en un menor desgaste de la herramienta y una mayor eficacia de perforación/corte.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, simulamos y comparamos las propiedades tribológicas de dos tipos de rocas para mostrar la capacidad de la Tribómetro NANOVEA T50 en la medición del coeficiente de fricción y la tasa de desgaste de las rocas de forma controlada y monitorizada.

NANOVEA T50 Compacto
Tribómetro de peso libre

LAS MUESTRAS

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

El coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de dos muestras de roca se evaluaron con el tribómetro NANOVEA T50 utilizando el módulo de desgaste Pin-on-Disc. Se utilizó una bola de Al2O3 (6 mm de diámetro) como contramaterial. La huella de desgaste se examinó utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA después de las pruebas. Los parámetros de la prueba se resumen a continuación.

La tasa de desgaste, K, se evaluó mediante la fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento, A es el área transversal de la pista de desgaste y n es el número de revoluciones. La rugosidad de la superficie y los perfiles de la pista de desgaste se evaluaron con el perfilómetro óptico NANOVEA, y la morfología de la pista de desgaste se examinó con un microscopio óptico.

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

PARÁMETROS DE PRUEBA

MUESTRAS	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 DEBATE

La dureza (H) y el módulo elástico (E) de las muestras de caliza y mármol se comparan en la FIGURA 1, utilizando el módulo de microindentación del NANOVEA Mechanical Tester. La muestra de caliza presentó 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 observados en la muestra de caliza puede atribuirse a su mayor inhomogeneidad superficial, derivada de sus características granuladas y porosas.

La FIGURA 2 muestra la evolución del COF durante las pruebas de desgaste de las dos muestras de roca. La caliza experimenta inicialmente un rápido aumento del COF hasta aproximadamente 0,8 al comienzo del ensayo de desgaste, manteniéndose este valor durante toda la duración del ensayo. Este cambio abrupto en el COF puede atribuirse a la penetración de la bola de Al2O3 en la muestra de roca, resultante de un rápido proceso de desgaste y rugosidad que se produce en la cara de contacto dentro de la pista de desgaste. Por el contrario, la muestra de mármol muestra un notable aumento del COF hasta valores más altos después de aproximadamente 5 metros de distancia de deslizamiento, lo que significa que su resistencia al desgaste es superior a la de la caliza.

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

FIGURA 2: Evolución del coeficiente de fricción (COF) en muestras de caliza y mármol durante las pruebas de desgaste.

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

FIGURA 3: Perfiles transversales de las pistas de desgaste.

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

FIGURA 4: Huellas de desgaste al 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 monitorizada. Las propiedades mecánicas superiores del mármol contribuyen a su excepcional resistencia al desgaste. Esta propiedad dificulta su perforación o corte en la industria del petróleo y el gas. Por el contrario, prolonga considerablemente su vida útil cuando se utiliza como material de construcción de alta calidad, como las baldosas.

Los tribómetros NANOVEA ofrecen capacidades de ensayo de desgaste y fricción precisas y repetibles, de conformidad con las normas 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 sistema. La incomparable gama de NANOVEA es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de recubrimientos finos o gruesos, blandos o duros, películas, sustratos y tribología de rocas.

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Evaluación de arañazos y desgaste en revestimientos industriales

RECUBRIMIENTO INDUSTRIAL

EVALUACIÓN DEL RAYADO Y EL DESGASTE MEDIANTE UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, Doctorado, y ANDREA HERRMANN

INTRODUCCIÓN

La pintura de uretano acrílico es un tipo de recubrimiento protector de secado rápido ampliamente utilizado en diversas aplicaciones industriales, como pintura para pisos, pintura para automóviles y otras. Cuando se utiliza como pintura para pisos, puede servir en áreas con mucho tránsito peatonal y de ruedas de goma, como pasillos, bordillos y estacionamientos.

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

Tradicionalmente, las pruebas de abrasión Taber se realizaban para evaluar la resistencia al desgaste de la pintura acrílica de uretano para pisos de acuerdo con la norma ASTM D4060. Sin embargo, como se menciona en la norma, “Para algunos materiales, las pruebas de abrasión que utilizan el abrasómetro Taber pueden estar sujetas a variaciones debido a cambios en las características abrasivas de la rueda durante la prueba”.1 Esto puede dar lugar a una mala reproducibilidad de los resultados de las pruebas y crear dificultades para comparar los valores comunicados por diferentes laboratorios. Además, en las pruebas de abrasión Taber, la resistencia a la abrasión se calcula como la pérdida de peso en un número específico de ciclos de abrasión. Sin embargo, las pinturas acrílicas de uretano para suelos tienen un espesor de película seca recomendado de 37,5-50 μm².

El agresivo proceso de abrasión del abrasómetro Taber puede desgastar rápidamente el recubrimiento de uretano acrílico y provocar una pérdida de masa en el sustrato, lo que da lugar a errores sustanciales en el cálculo de la pérdida de peso de la pintura. La implantación de partículas abrasivas en la pintura durante la prueba de abrasión también contribuye a los errores. Por lo tanto, es fundamental realizar una medición cuantificable y fiable bien controlada para garantizar una evaluación reproducible del desgaste de la pintura. Además, el prueba de resistencia al rayado permite a los usuarios detectar fallos prematuros en la adhesión/cohesión en aplicaciones reales.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

El proceso de desgaste de las pinturas acrílicas de uretano para pisos con diferentes capas de acabado se simula de manera controlada y supervisada utilizando el tribómetro NANOVEA. Se utilizan pruebas de microarañazos para medir la carga necesaria para provocar un fallo cohesivo o adhesivo en la pintura.

NANOVEA T100

El tribómetro neumático compacto

NANOVEA PB1000

El probador mecánico de plataforma grande

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

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

PRUEBA DE DESGASTE

Se utilizó 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 sometidas a prueba. El COF se registró in situ. 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 transversal de la huella de desgaste y n es el número de revoluciones. La rugosidad de la superficie y los perfiles de las huellas de desgaste se evaluaron con el NANOVEA. Perfilómetro óptico, y se examinó la morfología de la pista de desgaste con un microscopio óptico.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE DESGASTE

FUERZA NORMAL

20 N

VELOCIDAD

15 m/min

DURACIÓN DE LA PRUEBA

100, 150, 300 y 800 ciclos

PRUEBA DE RAYADO

Se utilizó el probador mecánico NANOVEA equipado con una aguja de diamante Rockwell C (radio de 200 μm) para realizar pruebas de rayado con carga progresiva en las muestras de pintura utilizando el modo Micro Scratch Tester. Se utilizaron dos cargas finales: una carga final de 5 N para investigar la delaminación de la pintura de la imprimación y una de 35 N para investigar la delaminación 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.

El software del sistema generó automáticamente imágenes panorámicas de toda la longitud de los rayones y correlacionó sus puntos críticos de falla con las cargas aplicadas. Esta función del software permite a los usuarios realizar análisis de las marcas de los rayones en cualquier momento, en lugar de tener que determinar la carga crítica bajo el microscopio inmediatamente después de las pruebas de rayado.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE RAYADO

TIPO DE CARGA	Progresiva
CARGA INICIAL	0,01 mN
CARGA FINAL	5 N / 35 N
VELOCIDAD DE CARGA	10 / 70 N/min
LONGITUD DEL RASPADO	3 mm
velocidad de rayado, dx/dt	6,0 mm/min
GEOMETRÍA DEL PENETRADOR	cono de 120º
MATERIAL INDENTADOR (punta)	Diamante
RADIO DE LA PUNTA DEL PENETRADOR	200 μm

RESULTADOS DE LA PRUEBA DE DESGASTE

Se realizaron cuatro pruebas de desgaste con pasador sobre disco a diferentes números de revoluciones (100, 150, 300 y 800 ciclos) en cada muestra con el fin de supervisar la evolución del desgaste. La morfología de la superficie de las muestras se midió con un perfilómetro 3D sin contacto NANOVEA 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. La FIGURA 4 presenta la evolución de las huellas de desgaste después de 100, 150, 300 y 800 ciclos, y la FIGURA 3 resume la tasa de desgaste media de diferentes 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 genera una cantidad considerable de residuos de pintura, como se indica en la FIGURA 4: la capa superior de la muestra A ha comenzado a desprenderse en las primeras 100 revoluciones. Como se muestra en la FIGURA 3, la muestra A presenta la tasa de desgaste más alta, de ~5 μm2/N, en los primeros 300 ciclos, que disminuye ligeramente hasta ~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, las muestras B y D muestran propiedades tribológicas mejoradas. La muestra B mantiene un bajo coeficiente de fricción (COF) 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 subyacente después de 800 ciclos de desgaste. La tasa de desgaste promedio más baja, de solo ~0,77 μm2/N, se mide para la muestra B a los 800 ciclos. La capa superior de la muestra D comienza a deslaminarse después de 375 ciclos, como se refleja en el aumento abrupto del COF en la FIGURA 2. La tasa de desgaste promedio de la muestra D es de ~1,1 μm2/N a los 800 ciclos.

En comparación con las mediciones de abrasión Taber convencionales, el tribómetro NANOVEA proporciona evaluaciones de desgaste cuantificables y fiables bien controladas que garantizan evaluaciones reproducibles y el control de calidad de las pinturas comerciales para suelos y automóviles. Además, la capacidad de realizar 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 fundamental para mejorar la comprensión básica del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de diversos recubrimientos de pintura.

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

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

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

FIGURA 4: Evolución de las marcas de desgaste durante las pruebas de pasador sobre disco.

RESULTADOS DE LA PRUEBA DE RAYADO

La FIGURA 5 muestra el gráfico de la fuerza normal, la fuerza de fricción y la profundidad real en función de la longitud del rayón para la muestra A, a modo de ejemplo. Se puede instalar un módulo opcional de emisión acústica para proporcionar más información. A medida que la carga normal aumenta linealmente, la punta de la indentación se hunde gradualmente en la muestra sometida a prueba, lo que se refleja en el aumento progresivo de la profundidad real. La variación en las pendientes de las curvas de fuerza de fricción y profundidad real puede utilizarse como uno de los indicios de que comienzan a producirse fallos en el recubrimiento.

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

Las FIGURAS 6 y 7 muestran los rayones completos de las cuatro muestras de pintura probadas 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. Las pruebas de rayado con una carga final de 5 N (FIGURA 6) evalúan el fallo cohesivo/adhesivo de la pintura superior, mientras que las realizadas con 35 N (FIGURA 7) evalúan la deslaminación de la imprimación. Las flechas de las micrografías indican el punto en el que la capa superior o la imprimación comienzan a desprenderse completamente de la imprimación o del sustrato. La carga en este punto, denominada carga crítica, Lc, se utiliza para comparar las propiedades cohesivas o adhesivas de la pintura, tal y como se resume en la Tabla 1.

Es evidente que la muestra de pintura D tiene la mejor adhesión interfacial, ya que presenta los valores Lc más altos, 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 rayado, demostramos que la optimización de la fórmula de la pintura es fundamental para el comportamiento mecánico o, más concretamente, para la resistencia al rayado y la propiedad de adhesión de las pinturas acrílicas para suelos.

Cuadro 1: Resumen de cargas críticas.

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

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

CONCLUSIÓN

En comparación con las mediciones de abrasión Taber convencionales, el probador mecánico y el tribómetro NANOVEA son herramientas superiores para la evaluación y el control de calidad de los recubrimientos comerciales para pisos y automóviles. El probador mecánico NANOVEA en modo Rasguño puede detectar problemas de adhesión/cohesión en un sistema de recubrimiento. 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 análisis tribológicos y mecánicos exhaustivos realizados a los recubrimientos acrílicos para suelos a base de agua probados en este estudio, demostramos que la muestra B posee el menor coeficiente de fricción y la menor tasa de desgaste, así como 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 evaluación nos permite valorar y seleccionar el mejor candidato en función de las necesidades de los diferentes entornos de aplicación.

Los módulos Nano y Micro del probador mecánico NANOVEA incluyen modos de prueba de indentación, rayado y desgaste que cumplen con las normas ISO y ASTM, lo que proporciona la gama más amplia de pruebas disponibles para la evaluación de pinturas 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 tribocorrosión disponibles en un sistema preintegrado. La inigualable gama de NANOVEA es una solución ideal para determinar todas las propiedades mecánicas y tribológicas de recubrimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluyendo la dureza, el módulo de Young, la resistencia a la fractura, la adhesión, la resistencia al desgaste y muchas otras. Los perfilómetros ópticos sin contacto opcionales de NANOVEA están disponibles para la obtención de imágenes 3D de alta resolución de arañazos y marcas de desgaste, además de otras mediciones de superficie, como la rugosidad.

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Rendimiento de abrasión con papel de lija utilizando un tribómetro

RENDIMIENTO DE ABRASIÓN DEL PAPEL DE LAMA

UTILIZANDO UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

INTRODUCCIÓN

El papel de lija está compuesto por partículas abrasivas adheridas a una de las caras de un papel o tela. Para las partículas se pueden utilizar diversos materiales abrasivos, como granate, carburo de silicio, óxido de aluminio y diamante. El papel de lija se utiliza ampliamente en diversos sectores industriales para crear acabados superficiales específicos en madera, metal y paneles de yeso. A menudo se trabaja con él aplicando una gran presión con la mano o con herramientas eléctricas.

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

La eficacia del papel de lija suele determinarse por su rendimiento abrasivo en diferentes condiciones. El tamaño del grano, es decir, el tamaño de las partículas abrasivas incrustadas en el papel de lija, determina la tasa de desgaste y el tamaño de los rayones del material que se lija. Los papeles de lija con números de grano más altos tienen partículas más pequeñas, lo que da como resultado velocidades de lijado más bajas y acabados superficiales más finos. Los papeles de lija con el mismo número de grano pero fabricados con materiales diferentes pueden tener comportamientos distintos en condiciones secas o húmedas. Se necesitan evaluaciones tribológicas fiables para garantizar que el papel de lija fabricado posea el comportamiento abrasivo deseado. Estas evaluaciones permiten a los usuarios comparar cuantitativamente los comportamientos de desgaste de diferentes tipos de papeles de lija de forma controlada y supervisada, con el fin de seleccionar el mejor candidato para la aplicación deseada.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, mostramos la capacidad del tribómetro neumático de alta carga NANOVEA T2000 para evaluar cuantitativamente el rendimiento de abrasión de varias muestras de papel de lija en condiciones secas y húmedas.

NANOVEA T2000 Alta carga
Tribómetro neumático

PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA

El coeficiente de fricción (COF) y el rendimiento de abrasión de dos tipos de papeles de lija se evaluaron con el tribómetro NANOVEA T100. Se utilizó una bola de acero inoxidable 440 como material de contrapartida. Las marcas de desgaste de la bola se examinaron después de cada prueba de desgaste utilizando el NANOVEA. Perfilador óptico 3D sin contacto para garantizar mediciones precisas de la pérdida de volumen.

Tenga en cuenta que se eligió una bola de acero inoxidable 440 como material de contrapartida para realizar un estudio comparativo, pero se podría sustituir por cualquier material sólido 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 inicio de la prueba, que disminuye progresivamente y se estabiliza en 0,3. En condiciones húmedas, esta muestra presenta un COF medio más bajo, de 0,27. Por el contrario, los resultados del COF de la muestra 2 muestran un COF seco de 0,27 y un COF húmedo de ~ 0,37.

Tenga en cuenta que la oscilación en los datos de todos los gráficos COF se debió a las vibraciones generadas por el movimiento deslizante 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 marcas de desgaste. Las marcas de desgaste se midieron utilizando un microscopio óptico y un perfilómetro óptico sin contacto NANOVEA 3D. Las FIGURAS 3 y 4 comparan las marcas de desgaste de las bolas SS440 desgastadas tras las pruebas de desgaste en el papel de lija 1 y 2 (en condiciones húmedas y secas). Como se muestra en la FIGURA 4, el perfilómetro óptico NANOVEA captura con precisión la topografía de la superficie de las cuatro bolas y sus respectivas marcas de desgaste, que luego se procesaron con el software de análisis avanzado NANOVEA Mountains para calcular la pérdida de volumen y la tasa de desgaste. En la imagen microscópica y del perfil de la bola se puede observar que la bola utilizada para la prueba con lija 1 (seca) presentaba una marca de desgaste aplanada más grande en comparación con las demás, con una pérdida de volumen de 0,313. mm³. Por el contrario, 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. La lija 1 presentó un COF más alto en condiciones secas, lo que dio lugar a una mayor tasa de abrasión para la bola SS440 utilizada en la prueba. En comparación, el mayor COF del papel de lija 2 en condiciones húmedas dio lugar a una mayor tasa de abrasión. Las marcas de desgaste de los papeles de lija después de las mediciones se muestran en la FIGURA 5.

Tanto el papel de lija 1 como el 2 afirman funcionar tanto en entornos secos como húmedos. Sin embargo, mostraron un rendimiento de abrasión significativamente diferente en condiciones secas y húmedas. NANOVEA tribómetros proporcionan capacidades de evaluación del desgaste cuantificables, fiables y bien controladas que garantizan evaluaciones reproducibles del desgaste. 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 cual es fundamental para mejorar la comprensión básica del mecanismo de desgaste y las características tribológicas del papel de lija.

FIGURA 2: Desgaste del volumen de las bolas y COF promedio en diferentes condiciones.

FIGURA 3: Lleva las cicatrices de las pelotas después de las pruebas.

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

FIGURA 5: Desgaste de las bandas de rodadura en los papeles de lija en diferentes condiciones.

CONCLUSIÓN

En este estudio se evaluó el rendimiento de abrasión de dos tipos de lijas con el mismo número de grano en condiciones secas y húmedas. Las condiciones de uso de la lija desempeñan un papel fundamental en la eficacia del rendimiento del trabajo. La lija 1 presentó un comportamiento de abrasión significativamente mejor en condiciones secas, mientras que la lija 2 obtuvo mejores resultados 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 abrasión. El perfilómetro óptico NANOVEA mide con precisión la morfología 3D de cualquier superficie, como las marcas de desgaste en una bola, lo que garantiza una evaluación fiable del rendimiento de abrasión del papel de lija en este estudio. El tribómetro NANOVEA mide el coeficiente de fricción in situ durante una prueba de desgaste, lo que proporciona información sobre 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 a alta temperatura y lubricación disponibles en un sistema preintegrado. Esta gama inigualable permite a los usuarios simular diferentes entornos de trabajo severos de los rodamientos de bolas, incluyendo altas tensiones, desgaste y altas temperaturas, etc. También proporciona una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de materiales superiores resistentes al desgaste bajo cargas elevadas.

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Prueba de desgaste por humedad del recubrimiento de vidrio mediante tribómetro

Más información

HUMEDAD DEL RECUBRIMIENTO DE VIDRIO

PRUEBA DE DESGASTE MEDIANTE TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, Doctorado

INTRODUCCIÓN

El recubrimiento autolimpiante para vidrio crea una superficie fácil de limpiar que evita la acumulación de mugre, suciedad y manchas. Su función autolimpiante reduce significativamente la frecuencia, el tiempo, la energía y los costos de limpieza, lo que lo convierte en una opción atractiva para una variedad de aplicaciones residenciales y comerciales, como fachadas de vidrio, espejos, vidrios de ducha, ventanas y parabrisas.

IMPORTANCIA DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE DEL RECUBRIMIENTO DE VIDRIO AUTOLIMPIABLE

Una de las principales aplicaciones del recubrimiento autolimpiante es la superficie exterior de las fachadas acristaladas de los rascacielos. La superficie del vidrio suele verse afectada por partículas a gran velocidad arrastradas por fuertes vientos. Las condiciones meteorológicas también influyen considerablemente en la vida útil del recubrimiento del vidrio. El tratamiento superficial del vidrio y la aplicación de un nuevo recubrimiento cuando el antiguo falla pueden resultar muy difíciles y costosos. Por lo tanto, la resistencia al desgaste del recubrimiento del vidrio bajo
Las diferentes condiciones climáticas son fundamentales.

Para simular las condiciones ambientales reales del recubrimiento autolimpiante en diferentes condiciones climáticas, es necesario realizar una evaluación repetible del desgaste en condiciones de humedad controladas y supervisadas. Esto permite a los usuarios comparar adecuadamente la resistencia al desgaste de los recubrimientos autolimpiantes expuestos a diferentes niveles de humedad y seleccionar el mejor candidato para la aplicación deseada.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, demostramos que el NANOVEA El tribómetro T100, equipado con un controlador de humedad, es una herramienta ideal para investigar la resistencia al desgaste de los recubrimientos de vidrio autolimpiables en diferentes condiciones de humedad.

NANOVEA

T100

PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA

Los portaobjetos de microscopio de vidrio sodocálcico se recubrieron con recubrimientos de vidrio autolimpiables con dos fórmulas de tratamiento diferentes. Estos dos recubrimientos se identifican como Recubrimiento 1 y Recubrimiento 2. También se probó un portaobjetos de vidrio sin recubrimiento para comparar.

NANOVEA Tribómetro Se utilizó un módulo de control de humedad para evaluar el comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de los recubrimientos de vidrio autolimpiables. Se aplicó una punta de bola de WC (6 mm de diámetro) contra las muestras sometidas a prueba. El COF se registró in situ. El controlador de humedad conectado a la cámara tribológica controló con precisión el valor de humedad relativa (RH) en el rango de ±1 %. La morfología de la pista de desgaste se examinó con un microscopio óptico después de las pruebas de desgaste.

CARGA MÁXIMA 40 mN

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se realizaron pruebas de desgaste con pasador sobre disco en diferentes condiciones de humedad sobre el vidrio recubierto y sin recubrir.
muestras. El COF se registró in situ durante las pruebas de desgaste, tal y como se muestra en FIGURA 1 y el COF promedio se resume en FIGURA 2. FIGURA 4 compara las huellas de desgaste tras las pruebas de desgaste.

Como se muestra en FIGURA 1, el vidrio sin recubrimiento presenta un alto coeficiente de fricción (COF) de ~0,45 una vez que comienza el movimiento de deslizamiento en el 30% RH, y aumenta progresivamente hasta ~0,6 al final de la prueba de desgaste de 300 revoluciones. En comparación, el
Las muestras de vidrio recubiertas Recubrimiento 1 y Recubrimiento 2 muestran un COF bajo, inferior a 0,2, al inicio de la prueba. El COF
El recubrimiento 2 se estabiliza en ~0,25 durante el resto de la prueba, mientras que el recubrimiento 1 muestra un fuerte aumento del COF en
~250 revoluciones y el COF alcanza un valor de ~0,5. Cuando las pruebas de desgaste se llevan a cabo en el 60% RH, el
El vidrio sin recubrimiento sigue mostrando un COF más alto, de ~0,45, a lo largo de toda la prueba de desgaste. Los recubrimientos 1 y 2 presentan valores de COF de 0,27 y 0,22, respectivamente. En el 90% RH, el vidrio sin recubrimiento posee un COF alto, de ~0,5, al final de la prueba de desgaste. Los recubrimientos 1 y 2 muestran un COF comparable de ~0,1 al inicio de la prueba de desgaste. El recubrimiento 1 mantiene un COF relativamente estable de ~0,15. Sin embargo, el recubrimiento 2 falla a las ~100 revoluciones, seguido de un aumento significativo del COF hasta ~0,5 hacia el final de la prueba de desgaste.

La baja fricción del recubrimiento de vidrio autolimpiante se debe a su baja energía superficial. Crea una estática muy alta.
ángulo de contacto con el agua y ángulo de rodadura bajo. Esto provoca la formación de pequeñas gotas de agua en la superficie del recubrimiento en el 90% RH, como se muestra bajo el microscopio en FIGURA 3. También da lugar a una disminución del COF medio de ~0,23 a ~0,15 para el recubrimiento 2 a medida que el valor de humedad relativa aumenta de 30% a 90%.

FIGURA 1: Coeficiente de fricción durante las pruebas de clavija sobre disco en diferentes condiciones de humedad relativa.

FIGURA 2: COF promedio durante las pruebas de pin-on-disk en diferentes condiciones de humedad relativa.

FIGURA 3: Formación de pequeñas gotas de agua en la superficie del vidrio recubierto.

FIGURA 4 compara las marcas de desgaste en la superficie del vidrio tras las pruebas de desgaste en diferentes condiciones de humedad. El recubrimiento 1 muestra signos de desgaste leve tras las pruebas de desgaste en condiciones de humedad relativa de 30% y 60%. Presenta una marca de desgaste considerable tras la prueba en condiciones de humedad relativa de 90%, lo que concuerda con el aumento significativo del COF durante la prueba de desgaste. El recubrimiento 2 casi no muestra signos de desgaste tras las pruebas de desgaste tanto en ambiente seco como húmedo, y también presenta un COF bajo y constante durante las pruebas de desgaste en diferentes condiciones de humedad. La combinación de buenas propiedades tribológicas y baja energía superficial hace que el recubrimiento 2 sea un buen candidato para aplicaciones de recubrimiento de vidrio autolimpiante en entornos difíciles. En comparación, el vidrio sin recubrimiento muestra mayores marcas de desgaste y un COF más alto en diferentes condiciones de humedad, lo que demuestra la necesidad de la técnica de recubrimiento autolimpiante.

FIGURA 4: Marcas de desgaste tras las pruebas de pin-on-disk en diferentes condiciones de humedad relativa (aumento de 200x).

CONCLUSIÓN

NANOVEA El tribómetro T100 es una herramienta superior para la evaluación y el control de calidad de los recubrimientos de vidrio autolimpiables en diferentes condiciones de humedad. La capacidad de medición in situ del COF permite a los usuarios correlacionar las diferentes etapas del proceso de desgaste con la evolución del COF, lo cual es fundamental para mejorar la comprensión básica del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de los recubrimientos de vidrio. Basándonos en el análisis tribológico exhaustivo de los recubrimientos de vidrio autolimpiables probados en diferentes condiciones de humedad, demostramos que el recubrimiento 2 posee un COF bajo constante y una resistencia al desgaste superior tanto en entornos secos como húmedos, lo que lo convierte en un mejor candidato para aplicaciones de recubrimiento de vidrio autolimpiable expuestas a diferentes condiciones climáticas.

NANOVEA Los tribómetros ofrecen 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. Se encuentra disponible un perfilador 3D sin contacto opcional para alta
Imágenes 3D de alta resolución de la huella de desgaste, además de otras mediciones superficiales, como la rugosidad.

¿Tiene una aplicación similar?

Medición del desgaste in situ a alta temperatura

MEDICIÓN DEL DESGASTE IN SITU A ALTA TEMPERATURA

USO DEL TRIBÓMETRO

Preparado por

Doctor Duanjie Li

INTRODUCCIÓN

El transformador diferencial variable lineal (LVDT) es un tipo de transformador eléctrico robusto que se utiliza para medir el desplazamiento lineal. Se ha utilizado ampliamente en una gran variedad de aplicaciones industriales, entre las que se incluyen turbinas eléctricas, sistemas hidráulicos, automatización, aeronáutica, satélites, reactores nucleares y muchas otras.

En este estudio, presentamos los complementos LVDT y los módulos para altas temperaturas de NANOVEA. Tribómetro que permiten medir el cambio en la profundidad de la huella de desgaste de la muestra sometida a prueba durante el proceso de desgaste a temperaturas elevadas. Esto permite a los usuarios correlacionar las diferentes etapas del proceso de desgaste con la evolución del COF, lo cual es fundamental para mejorar la comprensión básica del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de los materiales para aplicaciones a altas temperaturas.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, nos gustaría mostrar la capacidad del tribómetro NANOVEA T50 para monitorear in situ la evolución del proceso de desgaste de los materiales a temperaturas elevadas.

El proceso de desgaste de la cerámica de silicato de alúmina a diferentes temperaturas se simula de manera controlada y supervisada.

NANOVEA

T50

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

El comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de las placas cerámicas de silicato de alúmina, se evaluó con el tribómetro NANOVEA. La placa cerámica de silicato de alúmina se calentó en un horno desde temperatura ambiente (TA) hasta temperaturas elevadas (400 °C y 800 °C), y a continuación se realizaron ensayos de desgaste a dichas temperaturas.

A modo de comparación, las pruebas de desgaste se llevaron a cabo cuando la muestra se enfrió de 800 °C a 400 °C y, posteriormente, a temperatura ambiente. Se aplicó una punta de bola de AI2O3 (6 mm de diámetro, grado 100) contra las muestras sometidas a prueba. Se supervisaron in situ el COF, la profundidad de desgaste y la temperatura.

PARÁMETROS DE PRUEBA

de la medición del pin sobre disco

La tasa de desgaste, K, se evaluó utilizando la fórmula K=V/(Fxs)=A/(Fxn), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento, A es el área transversal de la huella de desgaste y n es el número de revoluciones. La rugosidad de la superficie y los perfiles de las huellas de desgaste se evaluaron con el perfilómetro óptico NANOVEA, y la morfología de las huellas de desgaste se examinó con un microscopio óptico.

RESULTADOS Y DEBATE

El COF y la profundidad de la huella de desgaste registrados in situ se muestran en la FIGURA 1 y la FIGURA 2, respectivamente. En la FIGURA 1, “-I” indica la prueba realizada cuando la temperatura se incrementó desde la temperatura ambiente hasta una temperatura elevada. “-D” representa la temperatura disminuida desde una temperatura más alta de 800 °C.

Como se muestra en la FIGURA 1, las muestras probadas a diferentes temperaturas presentan un COF comparable de ~0,6 en todas las mediciones. Un COF tan alto provoca un proceso de desgaste acelerado que genera una cantidad considerable de residuos. La profundidad de la huella de desgaste se supervisó durante las pruebas de desgaste mediante LVDT, como se muestra en la FIGURA 2. Las pruebas realizadas a temperatura ambiente antes del calentamiento de la muestra y después de su enfriamiento muestran que la placa cerámica de silicato de alúmina presenta un proceso de desgaste progresivo a temperatura ambiente, y que la profundidad de la huella de desgaste aumenta gradualmente a lo largo de la prueba de desgaste hasta ~170 y ~150 μm, respectivamente.

En comparación, las pruebas de desgaste a temperaturas elevadas (400 °C y 800 °C) muestran un comportamiento de desgaste diferente: la profundidad de la huella de desgaste aumenta rápidamente al inicio del proceso de desgaste y se ralentiza a medida que avanza la prueba. Las profundidades de las marcas de desgaste para las pruebas realizadas a temperaturas de 400 °C-I, 800 °C y 400 °C-D son de aproximadamente 140, 350 y 210 μm, respectivamente.

FIGURA 1. Coeficiente de fricción durante pruebas de clavija sobre disco a diferentes temperaturas

FIGURA 2. Evolución de la profundidad de la huella de desgaste de la placa cerámica de silicato de alúmina a diferentes temperaturas.

Se midieron la tasa de desgaste promedio y la profundidad de la huella de desgaste de las placas de cerámica de silicato de alúmina a diferentes temperaturas utilizando NANOVEA Perfilómetro óptico, tal y como se resume en FIGURA 3. La profundidad de la huella de desgaste coincide con la registrada mediante LVDT. La placa cerámica de silicato de alúmina muestra una tasa de desgaste sustancialmente mayor, de ~0,5 mm3/Nm a 800 °C, en comparación con las tasas de desgaste inferiores a 0,2 mm3/N a temperaturas inferiores a 400 °C. La placa cerámica de silicato de alúmina no muestra una mejora significativa de sus propiedades mecánicas/tribológicas tras el breve proceso de calentamiento, ya que presenta una tasa de desgaste comparable antes y después del tratamiento térmico.

La cerámica de silicato de alúmina, también conocida como lava y piedra maravillosa, es blanda y mecanizable antes del tratamiento térmico. Un largo proceso de cocción a temperaturas elevadas de hasta 1093 °C puede mejorar sustancialmente su dureza y resistencia, tras lo cual se requiere un mecanizado con diamante. Esta característica única hace que la cerámica de silicato de alúmina sea un material ideal para la escultura.

En este estudio, demostramos que el tratamiento térmico a una temperatura inferior a la requerida para la cocción (800 °C frente a 1093 °C) en un tiempo breve no mejora las características mecánicas y tribológicas de la cerámica de silicato de alúmina, lo que hace que la cocción adecuada sea un proceso esencial para este material antes de su uso en aplicaciones reales.

FIGURA 3. Tasa de desgaste y profundidad de la huella de desgaste de la muestra a diferentes temperaturas.

CONCLUSIÓN

Basándonos en el análisis tribológico exhaustivo realizado en este estudio, demostramos que la placa cerámica de silicato de alúmina presenta un coeficiente de fricción comparable a diferentes temperaturas, desde la temperatura ambiente hasta los 800 °C. Sin embargo, muestra un aumento sustancial de la tasa de desgaste de ~0,5 mm3/Nm a 800 °C, lo que demuestra la importancia de un tratamiento térmico adecuado de esta cerámica.

Los tribómetros NANOVEA son capaces de evaluar las propiedades tribológicas de los materiales para aplicaciones a altas temperaturas de hasta 1000 °C. La función de medición in situ del coeficiente de fricción (COF) y la profundidad de la huella de desgaste permite a los usuarios correlacionar las diferentes etapas del proceso de desgaste con la evolución del COF, lo cual es fundamental para mejorar la comprensión básica del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de los materiales utilizados a temperaturas elevadas.

Los tribómetros NANOVEA ofrecen 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 inigualable gama de NANOVEA es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de recubrimientos, películas y sustratos delgados o gruesos, blandos o duros.

Hay disponibles perfiladores 3D sin contacto opcionales para obtener imágenes 3D de alta resolución de las huellas de desgaste, además de otras mediciones superficiales, como la rugosidad.

¿Tiene una aplicación similar?

Rodamientos de Bolas: Estudio de Resistencia al Desgaste por Fuerzas Elevadas

INTRODUCCIÓN

Un rodamiento de bolas utiliza bolas para reducir la fricción rotacional y soportar cargas radiales y axiales. Las bolas que ruedan entre las pistas del rodamiento producen un coeficiente de fricción (COF) mucho menor en comparación con dos superficies planas que se deslizan una contra otra. Los rodamientos de bolas suelen estar expuestos a elevados niveles de tensión de contacto, desgaste y condiciones ambientales extremas, como altas temperaturas. Por lo tanto, la resistencia al desgaste de las bolas bajo cargas elevadas y condiciones ambientales extremas es fundamental para prolongar la vida útil del rodamiento de bolas y reducir el coste y el tiempo de las reparaciones y sustituciones.
Los rodamientos de bolas se encuentran en casi todas las aplicaciones que implican piezas móviles. Se utilizan habitualmente en industrias de transporte como la aeroespacial y la automovilística, así como en la industria del juguete, que fabrica artículos como fidget spinner y monopatines.

EVALUACIÓN DEL DESGASTE DE LOS RODAMIENTOS DE BOLAS CON CARGAS ELEVADAS

Los rodamientos de bolas pueden fabricarse con una amplia lista de materiales. Los materiales más utilizados oscilan entre metales como el acero inoxidable y el acero al cromo o cerámicas como el carburo de wolframio (WC) y el nitruro de silicio (Si3n4). Para garantizar que los rodamientos de bolas fabricados poseen la resistencia al desgaste ideal para las condiciones de una aplicación determinada, es necesario realizar evaluaciones tribológicas fiables bajo cargas elevadas. Los ensayos tribológicos ayudan a cuantificar y contrastar los comportamientos de desgaste de diferentes rodamientos de bolas de forma controlada y monitorizada para seleccionar el mejor candidato para la aplicación prevista.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, mostramos una Nanovea Tribómetro como herramienta ideal para comparar la resistencia al desgaste de distintos rodamientos de bolas sometidos a cargas elevadas.

Figura 1: Montaje de la prueba de rodamientos.

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

El coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de los rodamientos de bolas fabricados con diferentes materiales se evaluaron mediante un tribómetro Nanovea. Como contramaterial se utilizó papel de lija de grano P100. Las cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas se examinaron utilizando un Nanovea Perfilador 3D sin contacto una vez concluidas las pruebas de desgaste. Los parámetros de las pruebas se resumen en la Tabla 1. La tasa de desgaste, Kse evaluó mediante la fórmula K=V/(F×s)donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal y s es la distancia de deslizamiento. Las cicatrices de desgaste de las bolas se evaluaron mediante un Nanovea Perfilador 3D sin contacto para garantizar una medición precisa del volumen de desgaste.
La función automatizada de posicionamiento radial motorizado permite al tribómetro disminuir el radio de la pista de desgaste durante la duración de una prueba. Este modo de ensayo se denomina ensayo en espiral y garantiza que el rodamiento de bolas se deslice siempre sobre una nueva superficie del papel de lija (figura 2). Mejora significativamente la repetibilidad de la prueba de resistencia al desgaste de la bola. El avanzado codificador de 20 bits para el control interno de la velocidad y el codificador de 16 bits para el control externo de la posición proporcionan información precisa en tiempo real sobre la velocidad y la posición, lo que permite un ajuste continuo de la velocidad de rotación para lograr una velocidad de deslizamiento lineal constante en el contacto.
Tenga en cuenta que el papel de lija de grano P100 se utilizó para simplificar el comportamiento de desgaste entre varios materiales de bolas en este estudio y puede sustituirse por cualquier otra superficie de material. Se puede sustituir por cualquier material sólido para simular el comportamiento de una amplia gama de acoplamientos de materiales en condiciones de aplicación reales, como en líquido o lubricante.

Figura 2: Ilustración de las pasadas en espiral del rodamiento de bolas sobre el papel de lija.

Tabla 1: Parámetros de ensayo de las mediciones de desgaste.

RESULTADOS Y DEBATE

La tasa de desgaste es un factor vital para determinar la vida útil del rodamiento de bolas, mientras que un COF bajo es deseable para mejorar el rendimiento y la eficiencia del rodamiento. La figura 3 compara la evolución del COF de diferentes rodamientos de bolas frente al papel de lija durante las pruebas. La bola de acero al Cr muestra un aumento del COF de ~0,4 durante la prueba de desgaste, en comparación con ~0,32 y ~0,28 para los rodamientos de bolas SS440 y Al2O3. Por otro lado, la bola de WC muestra un COF constante de ~0,2 durante toda la prueba de desgaste. Se puede observar una variación del COF a lo largo de cada prueba, que se atribuye a las vibraciones causadas por el movimiento de deslizamiento de los cojinetes de bolas contra la superficie rugosa del papel de lija.

Figura 3: Evolución del COF durante las pruebas de desgaste.

En la Figura 4 y la Figura 5 se comparan las cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas tras su medición con un microscopio óptico y con el perfilador óptico sin contacto Nanovea, respectivamente, y en la Tabla 2 se resumen los resultados del análisis de la huella de desgaste. El perfilómetro 3D Nanovea determina con precisión el volumen de desgaste de los rodamientos de bolas, lo que permite calcular y comparar las tasas de desgaste de diferentes rodamientos de bolas. Se puede observar que las bolas de acero al Cr y SS440 presentan cicatrices de desgaste aplanadas mucho más grandes en comparación con las bolas de cerámica, es decir, Al2O3 y WC después de las pruebas de desgaste. Las bolas de acero al Cr y SS440 tienen índices de desgaste comparables de 3,7×10-3 y 3,2×10-3 m3/N m, respectivamente. En comparación, la bola de Al2O3 muestra una mayor resistencia al desgaste, con una tasa de desgaste de 7,2×10-4 m3/N m. La bola de WC apenas presenta rasguños menores en la zona poco profunda de la pista de desgaste, lo que da como resultado una tasa de desgaste significativamente reducida de 3,3×10-6 mm3/N m.

Figura 4: Cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas tras las pruebas.

Figura 5: Morfología 3D de las cicatrices de desgaste en los rodamientos de bolas.

Tabla 2: Análisis de las cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas.

La figura 6 muestra imágenes microscópicas de las huellas de desgaste producidas en el papel de lija por los cuatro rodamientos de bolas. Es evidente que la bola de WC produjo la huella de desgaste más severa (eliminando casi todas las partículas de arena en su camino) y posee la mejor resistencia al desgaste. En comparación, las bolas de acero al Cr y SS440 dejaron una gran cantidad de restos metálicos en la huella de desgaste del papel de lija.
Estas observaciones demuestran aún más la importancia de las ventajas de una prueba en espiral. Garantiza que el rodamiento de bolas se deslice siempre sobre una nueva superficie del papel de lija, lo que mejora significativamente la repetibilidad de una prueba de resistencia al desgaste.

Figura 6: Huellas de desgaste en el papel de lija contra diferentes rodamientos de bolas.

CONCLUSIÓN

La resistencia al desgaste de los rodamientos de bolas sometidos a alta presión desempeña un papel vital en su rendimiento de servicio. Los rodamientos de bolas cerámicas poseen una resistencia al desgaste significativamente mayor en condiciones de alta tensión y reducen el tiempo y el coste debidos a la reparación o sustitución de los rodamientos. En este estudio, el rodamiento de bolas de WC presenta una resistencia al desgaste sustancialmente mayor en comparación con los rodamientos de acero, lo que lo convierte en un candidato ideal para aplicaciones de rodamientos en las que se produce un desgaste severo.
El tribómetro Nanovea está diseñado con capacidad de alto par para cargas de hasta 2.000 N y motor preciso y controlado para velocidades de rotación de 0,01 a 15.000 rpm. Ofrece pruebas repetibles de desgaste y fricción mediante modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste y lubricación a alta temperatura disponibles en un sistema preintegrado. Esta gama inigualable permite a los usuarios simular diferentes entornos de trabajo severos de los rodamientos de bolas, incluyendo alta tensión, desgaste y alta temperatura, etc. También actúa como una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de materiales superiores resistentes al desgaste bajo cargas elevadas.
Un perfilador 3D sin contacto Nanovea proporciona mediciones precisas del volumen de desgaste y actúa como una herramienta para analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste, proporcionando información adicional en la comprensión fundamental de los mecanismos de desgaste.

Preparado por
Duanjie Li, PhD, Jonathan Thomas y Pierre Leroux

Tribología de carga dinámica

Introducción

El desgaste se produce prácticamente en todos los sectores industriales y supone un costo de aproximadamente 0,751 TP3T del PIB1. La investigación en tribología es fundamental para mejorar la eficiencia de la producción, el rendimiento de las aplicaciones y la conservación de los materiales, la energía y el medio ambiente. Las vibraciones y oscilaciones son inevitables en una amplia gama de aplicaciones tribológicas. Las vibraciones externas excesivas aceleran el proceso de desgaste y reducen el rendimiento del servicio, lo que provoca fallos catastróficos en las piezas mecánicas.

Los tribómetros de carga muerta convencionales aplican cargas normales mediante pesos. Esta técnica de carga no solo limita las opciones de carga a una carga constante, sino que también genera intensas vibraciones incontroladas a cargas y velocidades elevadas, lo que da lugar a evaluaciones del comportamiento de desgaste limitadas e inconsistentes. Es conveniente realizar una evaluación fiable del efecto de la oscilación controlada sobre el comportamiento de desgaste de los materiales para la investigación y el desarrollo y el control de calidad en diferentes aplicaciones industriales.

La innovadora alta carga de Nanovea tribómetro Tiene una capacidad de carga máxima de 2000 N con un sistema de control de carga dinámica. El avanzado sistema neumático de carga por aire comprimido permite a los usuarios evaluar el comportamiento tribológico de un material bajo cargas normales elevadas, con la ventaja de amortiguar las vibraciones no deseadas que se producen durante el proceso de desgaste. Por lo tanto, la carga se mide directamente sin necesidad de resortes amortiguadores utilizados en diseños más antiguos. Un módulo de carga oscilante electromagnético paralelo aplica una oscilación bien controlada de la amplitud deseada hasta 20 N y una frecuencia de hasta 150 Hz.

La fricción se mide con gran precisión directamente a partir de la fuerza lateral aplicada al soporte superior. El desplazamiento se supervisa in situ, lo que proporciona información sobre la evolución del comportamiento de desgaste de las muestras de ensayo. El ensayo de desgaste bajo carga oscilante controlada también se puede realizar en entornos de corrosión, alta temperatura, humedad y lubricación para simular las condiciones de trabajo reales de las aplicaciones tribológicas. Una cámara de alta velocidad integrada perfilómetro sin contacto Mide automáticamente la morfología de la huella de desgaste y el volumen de desgaste en pocos segundos.

Objetivo de medición

En este estudio, mostramos la capacidad del tribómetro de carga dinámica Nanovea T2000 para estudiar el comportamiento tribológico de diferentes muestras de recubrimientos y metales en condiciones de carga oscilante controlada.

Procedimiento de ensayo

El comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de un recubrimiento resistente al desgaste de 300 µm de espesor, se evaluó y comparó mediante el tribómetro Nanovea T2000 con un tribómetro de carga muerta convencional utilizando una configuración de pin sobre disco según la norma ASTM G992.

Las muestras recubiertas con Cu y TiN por separado contra una bola de Al₂0₃ de 6 mm bajo oscilación controlada se evaluaron mediante el modo de tribología de carga dinámica del tribómetro Nanovea T2000.

Los parámetros de la prueba se resumen en la Tabla 1.

El perfilómetro 3D integrado, equipado con un sensor lineal, escanea automáticamente la huella de desgaste después de las pruebas, proporcionando la medición más precisa del volumen de desgaste en cuestión de segundos.

Resultados y debate

Sistema de carga neumático frente a sistema de carga muerta

Se compara el comportamiento tribológico de un recubrimiento resistente al desgaste utilizando el tribómetro Nanovea T2000 con un tribómetro convencional de carga muerta (DL). La evolución del COF del recubrimiento se muestra en la figura 2. Observamos que el recubrimiento presenta un valor de COF comparable de ~0,6 durante la prueba de desgaste. Sin embargo, los 20 perfiles transversales en diferentes ubicaciones de la pista de desgaste de la figura 3 indican que el recubrimiento sufrió un desgaste mucho más severo bajo el sistema de carga muerta.

El proceso de desgaste del sistema de carga muerta a alta carga y velocidad generó intensas vibraciones. La enorme presión concentrada en la superficie de contacto, combinada con una alta velocidad de deslizamiento, crea un peso y una vibración estructural considerables que aceleran el desgaste. El tribómetro de carga muerta convencional aplica la carga utilizando pesos de masa. Este método es fiable con cargas de contacto más bajas en condiciones de desgaste moderadas; sin embargo, en condiciones de desgaste agresivo con cargas y velocidades más altas, la vibración significativa hace que los pesos reboten repetidamente, lo que da lugar a una pista de desgaste irregular y a una evaluación tribológica poco fiable. La tasa de desgaste calculada es de 8,0±2,4 x 10-4 mm3/N m, lo que muestra una alta tasa de desgaste y una gran desviación estándar.

El tribómetro Nanovea T2000 está diseñado con un sistema de control dinámico de carga para amortiguar las oscilaciones. Aplica la carga normal con aire comprimido, lo que minimiza las vibraciones no deseadas que se producen durante el proceso de desgaste. Además, el control activo de carga en bucle cerrado garantiza que se aplique una carga constante durante toda la prueba de desgaste y que el palpador siga el cambio de profundidad de la pista de desgaste. Se mide un perfil de pista de desgaste significativamente más consistente, como se muestra en la figura 3a, lo que da como resultado una baja tasa de desgaste de 3,4 ± 0,5 x 10-4 mm3/N m.

El análisis de la huella de desgaste que se muestra en la figura 4 confirma que la prueba de desgaste realizada por el sistema de carga neumática de aire comprimido del tribómetro Nanovea T2000 crea una huella de desgaste más suave y uniforme en comparación con el tribómetro de carga muerta convencional. Además, el tribómetro Nanovea T2000 mide el desplazamiento del palpador durante el proceso de desgaste, lo que proporciona una visión más detallada del progreso del comportamiento del desgaste in situ.

Oscilación controlada sobre el desgaste de la muestra de cobre

El módulo electromagnético de carga oscilante paralela del tribómetro Nanovea T2000 permite a los usuarios investigar el efecto de las oscilaciones controladas de amplitud y frecuencia sobre el comportamiento de desgaste de los materiales. El COF de las muestras de cobre se registra in situ, como se muestra en la figura 6. La muestra de cobre presenta un COF constante de ~0,3 durante la primera medición de 330 revoluciones, lo que indica la formación de un contacto estable en la interfaz y una pista de desgaste relativamente suave. A medida que continúa la prueba de desgaste, la variación del COF indica un cambio en el mecanismo de desgaste. En comparación, las pruebas de desgaste bajo una oscilación controlada de 5 N de amplitud a 50 N muestran un comportamiento de desgaste diferente: el COF aumenta rápidamente al comienzo del proceso de desgaste y muestra una variación significativa a lo largo de la prueba de desgaste. Este comportamiento del COF indica que la oscilación impuesta en la carga normal influye en el estado de deslizamiento inestable en el contacto.

La figura 7 compara la morfología de la huella de desgaste medida por el perfilómetro óptico sin contacto integrado. Se puede observar que la muestra de Cu bajo una amplitud de oscilación controlada de 5 N presenta una huella de desgaste mucho mayor, con un volumen de 1,35 x 109 µm3, en comparación con los 5,03 x 108 µm3 sin oscilación impuesta. La oscilación controlada acelera significativamente la tasa de desgaste en un factor de ~2,7, lo que demuestra el efecto crítico de la oscilación en el comportamiento del desgaste.

Oscilación controlada sobre el desgaste del recubrimiento de TiN

El COF y las huellas de desgaste de la muestra con recubrimiento de TiN se muestran en la Fig. 8. El recubrimiento de TiN muestra comportamientos de desgaste significativamente diferentes bajo oscilación, como lo indica la evolución del COF durante las pruebas. El recubrimiento de TiN muestra un COF constante de ~0,3 tras el periodo de rodaje al comienzo de la prueba de desgaste, debido al contacto deslizante estable en la interfaz entre el recubrimiento de TiN y la bola de Al₂O₃. Sin embargo, cuando el recubrimiento de TiN comienza a fallar, la bola de Al₂O₃ penetra a través del recubrimiento y se desliza contra el sustrato de acero nuevo que se encuentra debajo. Al mismo tiempo, se genera una cantidad significativa de residuos del recubrimiento duro de TiN en la huella de desgaste, lo que convierte un desgaste por deslizamiento estable de dos cuerpos en un desgaste por abrasión de tres cuerpos. Este cambio en las características del par de materiales provoca un aumento de las variaciones en la evolución del COF. La oscilación impuesta de 5 N y 10 N acelera el fallo del recubrimiento de TiN de ~400 revoluciones a menos de 100 revoluciones. Las pistas de desgaste más grandes en las muestras de recubrimiento de TiN después de las pruebas de desgaste bajo la oscilación controlada concuerdan con dicho cambio en el COF.

Conclusión

El avanzado sistema de carga neumática del tribómetro Nanovea T2000 posee una ventaja intrínseca como amortiguador de vibraciones naturalmente rápido en comparación con los sistemas tradicionales de carga muerta. Esta ventaja tecnológica de los sistemas neumáticos es evidente en comparación con los sistemas de control de carga que utilizan una combinación de servomotores y resortes para aplicar la carga. La tecnología garantiza una evaluación del desgaste fiable y mejor controlada con cargas elevadas, como se demuestra en este estudio. Además, el sistema de carga de bucle cerrado activo puede cambiar la carga normal a un valor deseado durante las pruebas de desgaste para simular aplicaciones reales observadas en los sistemas de frenos.

En lugar de sufrir la influencia de condiciones de vibración incontroladas durante las pruebas, hemos demostrado que el tribómetro de carga dinámica Nanovea T2000 permite a los usuarios evaluar cuantitativamente el comportamiento tribológico de los materiales en diferentes condiciones de oscilación controladas. Las vibraciones desempeñan un papel importante en el comportamiento de desgaste de las muestras de recubrimientos metálicos y cerámicos.

El módulo de carga oscilante con electroimán paralelo proporciona oscilaciones controladas con precisión a amplitudes y frecuencias establecidas, lo que permite a los usuarios simular el proceso de desgaste en condiciones reales, en las que las vibraciones ambientales suelen ser un factor importante. En presencia de oscilaciones impuestas durante el desgaste, tanto las muestras con recubrimiento de Cu como las de TiN muestran un aumento sustancial de la tasa de desgaste. La evolución del coeficiente de fricción y el desplazamiento del palpador medidos in situ son indicadores importantes del rendimiento del material durante las aplicaciones tribológicas. El perfilómetro 3D sin contacto integrado ofrece una herramienta para medir con precisión el volumen de desgaste y analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste en segundos, lo que proporciona una mayor comprensión del mecanismo de desgaste.

El T2000 está equipado con un motor autoajustable, de alta calidad y alto par, con una velocidad interna de 20 bits y un codificador de posición externo de 16 bits. Esto permite al tribómetro proporcionar un rango inigualable de velocidades de rotación, desde 0,01 hasta 5000 rpm, que pueden cambiar en saltos escalonados o a velocidades continuas. A diferencia de los sistemas que utilizan un sensor de par situado en la parte inferior, el tribómetro Nanovea utiliza una célula de carga de alta precisión situada en la parte superior para medir con precisión y por separado las fuerzas de fricción.

Los tribómetros Nanovea ofrecen pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con las normas ISO y ASTM (incluidas pruebas de 4 bolas, arandelas de empuje y bloques sobre anillos), con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión disponibles en un sistema preintegrado. La inigualable gama de Nanovea T2000 es una solución ideal para determinar todas las propiedades tribológicas de recubrimientos, películas y sustratos delgados o gruesos, blandos o duros.

¿Tiene una aplicación similar?

Efecto de la humedad en la tribología del revestimiento de DLC

Importancia de la evaluación del desgaste del DLC en condiciones de humedad

Los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) poseen propiedades tribológicas mejoradas, concretamente una excelente resistencia al desgaste y un coeficiente de fricción (COF) muy bajo. Los recubrimientos de DLC imprimen características de diamante cuando se depositan sobre distintos materiales. Las propiedades tribo-mecánicas favorables hacen que los recubrimientos de DLC sean preferibles en diversas aplicaciones industriales, como piezas aeroespaciales, hojas de afeitar, herramientas de corte de metal, cojinetes, motores de motocicletas e implantes médicos.

Los revestimientos de DLC presentan un COF muy bajo (inferior a 0,1) frente a bolas de acero en condiciones de alto vacío y en seco.¹². Sin embargo, los recubrimientos de DLC son sensibles a los cambios de las condiciones ambientales, en particular a la humedad relativa (HR)³. Los entornos con alta humedad y concentración de oxígeno pueden provocar un aumento significativo del COF⁴. La evaluación fiable del desgaste en condiciones de humedad controlada simula las condiciones ambientales realistas de los revestimientos de DLC para aplicaciones tribológicas. Los usuarios seleccionan los mejores revestimientos de DLC para las aplicaciones deseadas mediante una comparación adecuada.
de los comportamientos de desgaste del DLC expuesto a diferentes humedades.

Objetivo de medición

Este estudio muestra la tecnología Nanovea Tribómetro equipado con un controlador de humedad es la herramienta ideal para investigar el comportamiento de desgaste de los recubrimientos de DLC a distintas humedades relativas.

Procedimiento de ensayo

La resistencia a la fricción y al desgaste de los recubrimientos de DLC se evaluó con el tribómetro Nanovea. Los parámetros de ensayo se resumen en la Tabla 1. Un controlador de humedad acoplado a la tribocámara controló con precisión la humedad relativa (HR) con una exactitud de ±1%. Las huellas de desgaste en los recubrimientos de DLC y las cicatrices de desgaste en las bolas de SiN se examinaron con un microscopio óptico después de las pruebas.

Nota: Se puede aplicar cualquier material de bola sólida para simular el rendimiento de acoplamiento de diferentes materiales en condiciones ambientales como en lubricante o alta temperatura.

Resultados y debate

Los recubrimientos de DLC son excelentes para aplicaciones tribológicas debido a su baja fricción y a su mayor resistencia al desgaste. La fricción del recubrimiento de DLC presenta un comportamiento dependiente de la humedad, como se muestra en la figura 2. El recubrimiento de DLC muestra un COF muy bajo de ~0,05 durante todo el ensayo de desgaste en condiciones relativamente secas (10% HR). El recubrimiento de DLC muestra un COF constante de ~0,1 durante la prueba a medida que la HR aumenta hasta 30%. La fase inicial de rodaje del COF se observa en las primeras 2000 revoluciones cuando la HR aumenta por encima de 50%. El revestimiento de DLC muestra un COF máximo de ~0,20, ~0,26 y ~0,33 en HR de 50, 70 y 90%, respectivamente. Tras el periodo de rodaje, el COF del revestimiento de DLC se mantiene constante en ~0,11, 0,13 y 0,20 con HR de 50, 70 y 90%, respectivamente.

La figura 3 compara las cicatrices de desgaste de las bolas de SiN y la figura 4 compara las huellas de desgaste del recubrimiento de DLC tras las pruebas de desgaste. El diámetro de la cicatriz de desgaste era menor cuando el recubrimiento de DLC se exponía a un entorno con baja humedad. La capa de DLC transferida se acumula en la superficie de la bola de SiN durante el proceso de deslizamiento repetitivo en la superficie de contacto. En esta fase, el recubrimiento de DLC se desliza contra su propia capa de transferencia, que actúa como un lubricante eficaz para facilitar el movimiento relativo y frenar la pérdida de masa adicional causada por la deformación por cizallamiento. Se observa una película de transferencia en la cicatriz de desgaste de la bola de SiN en entornos de baja HR (por ejemplo, 10% y 30%), lo que da lugar a un proceso de desgaste desacelerado de la bola. Este proceso de desgaste se refleja en la morfología de la pista de desgaste del recubrimiento de DLC, como se muestra en la figura 4. El recubrimiento de DLC muestra una pista de desgaste más pequeña en ambientes secos, debido a la formación de una película de transferencia de DLC estable en la interfaz de contacto que reduce significativamente la fricción y la tasa de desgaste.

Conclusión

La humedad desempeña un papel fundamental en el rendimiento tribológico de los recubrimientos de DLC. El recubrimiento de DLC posee una resistencia al desgaste significativamente mejorada y una baja fricción superior en condiciones secas debido a la formación de una capa grafítica estable transferida a la contraparte deslizante (una bola de SiN en este estudio). El recubrimiento de DLC se desliza contra su propia capa de transferencia, que actúa como un lubricante eficaz para facilitar el movimiento relativo y frenar la pérdida de masa adicional causada por la deformación por cizallamiento. No se observa una película en la bola de SiN con el aumento de la humedad relativa, lo que conduce a un aumento de la tasa de desgaste en la bola de SiN y el recubrimiento de DLC.

El tribómetro Nanovea ofrece pruebas repetibles de desgaste y fricción mediante modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de humedad disponibles en un sistema preintegrado. Permite a los usuarios simular el entorno de trabajo a diferentes humedades, proporcionando a los usuarios una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de los materiales en diferentes condiciones de trabajo.

Más información sobre el tribómetro Nanovea y el servicio de laboratorio

1 C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100-101 (1998) 180.

2 K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.- K. Miyoshi.

3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 437.

4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31

¿Tiene una aplicación similar?

Evaluación de la fricción a velocidades extremadamente bajas

Importance of Friction Evaluation at Low Speeds

Friction is the force that resists the relative motion of solid surfaces sliding against each other. When the relative motion of these two contact surfaces takes place, the friction at the interface converts the kinetic energy into heat. Such a process can also lead to wear of the material and thus performance degradation of the parts in use.
With a large stretch ratio, high resilience, as well as great waterproof properties and wear resistance, rubber is extensively applied in a variety of applications and products in which friction plays an important role, such as automobile tires, windshield wiper blades. shoe soles and many others. Depending on the nature and requirement of these applications, either high or low friction against different material is desired. As a consequence, a controlled and reliable measurement of friction of rubber against various surfaces becomes critical.

Objetivo de medición

The coefficient of friction (COF) of rubber against different materials is measured in a controlled and monitored manner using the Nanovea Tribómetro. In this study, we would like to showcase the capacity of Nanovea Tribometer for measuring the COF of different materials at extremely low speeds.

Resultados y debate

The coefficient of friction (COF) of rubber balls (6 mm dia., RubberMill) on three materials (Stainless steel SS 316, Cu 110 and optional Acrylic) was evaluated by Nanovea Tribometer. The tested metal samples were mechanically polished to a mirror-like surface finish before the measurement. The slight deformation of the rubber ball under the applied normal load created an area contact, which also helps to reduce the impact of asperities or inhomogeneity of sample surface finish to the COF measurements. The test parameters are summarized in Table 1.

The COF of a rubber ball against different materials at four different speeds is shown in Figure. 2, and the average COFs calculated automatically by the software are summarized and compared in Figure 3. It is interesting that the metal samples (SS 316 and Cu 110) exhibit significantly increased COFs as the rotational speed increases from a very low value of 0.01 rpm to 5 rpm -the COF value of the rubber/SS 316 couple increases from 0.29 to 0.8, and from 0.65 to 1.1 for the rubber/Cu 110 couple. This finding is in agreement with the results reported from several laboratories. As proposed by Grosch⁴ the friction of rubber is mainly determined by two mechanisms: (1) the adhesion between rubber and the other material, and (2) the energy losses due to the deformation of the rubber caused by surface asperities. Schallamach⁵ observed waves of detachment of rubber from the counter material across the interface between soft rubber spheres and a hard surface. The force for rubber to peel from the substrate surface and rate of waves of detachment can explain the different friction at different speeds during the test.

In comparison, the rubber/acrylic material couple exhibits high COF at different rotational speeds. The COF value slightly increases from ~ 1.02 to ~ 1.09 as the rotational speed increases from 0.01 rpm to 5 rpm. Such high COF is possibly attributed to stronger local chemical bonding at the contact face formed during the tests.

Conclusión

In this study, we show that at extremely low speeds, the rubber exhibits a peculiar frictional behavior – its friction against a hard surface increases with the increased speed of the relative movement. Rubber shows different friction when it slides on different materials. Nanovea Tribometer can evaluate the frictional properties of materials in a controlled and monitored manner at different speeds, allowing users to improve fundamental understanding of the friction mechanism of the materials and select the best material couple for targeted tribological engineering applications.

Nanovea Tribometer offers precise and repeatable wear and friction testing using ISO and ASTM compliant rotative and linear modes, with optional high-temperature wear, lubrication and tribo-corrosion modules available in one pre-integrated system. It is capable of controlling the rotational stage at extremely low speeds down to 0.01 rpm and monitor the evolution of friction in situ. Nanovea’s unmatched range is an ideal solution for determining the full range of tribological properties of thin or thick, soft or hard coatings, films, and substrates.

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Tribología de polímeros

Introducción

Polymers have been used extensively in a wide variety of applications and have become an indispensable part of everyday life. Natural polymers such as amber, silk, and natural rubber have played an essential role in human history. The fabrication process of synthetic polymers can be optimized to achieve unique physical properties such as toughness, viscoelasticity, self-lubrication, and many others.

Importance of Wear and Friction of Polymers

Polymers are commonly used for tribological applications, such as tires, bearings, and conveyor belts.
Different wear mechanisms occur depending on the mechanical properties of the polymer, the contact conditions, and the properties of the debris or transfer film formed during the wear process. To ensure that the polymers possess sufficient wear resistance under the service conditions, reliable and quantifiable tribological evaluation is necessary. Tribological evaluation allows us to quantitatively compare the wear behaviors of different polymers in a controlled and monitored manner to select the material candidate for the target application.

The Nanovea Tribometer offers repeatable wear and friction testing using ISO and ASTM compliant rotative and linear modes, with optional high-temperature wear and lubrication modules available in one pre-integrated system. This unmatched range allows users to simulate the different work environments of the polymers including concentrated stress, wear, and high temperature, etc.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

In this study, we showcased that the Nanovea Tribómetro is an ideal tool for comparing the friction and wear resistance of different polymers in a well-controlled and quantitative manner.

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

The coefficient of friction (COF) and the wear resistance of different common polymers were evaluated by the Nanovea Tribometer. An Al2O3 ball was used as the counter material (pin, static sample). The wear tracks on the polymers (dynamic rotating samples) were measured using a non-contact 3D profilometer and optical microscope after the tests concluded. It should be noted that a non-contact endoscopic sensor can be used to measure the depth the pin penetrates the dynamic sample during a wear test as an option. The test parameters are summarized in Table 1. The wear rate, K, was evaluated using the formula K=Vl(Fxs), where V is the worn volume, F is the normal load, and s is the sliding distance.

Please note that Al2O3 balls were used as the counter material in this study. Any solid material can be substituted to more closely simulate the performance of two specimens under actual application conditions.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Wear rate is a vital factor for determining the service lifetime of the materials, while the friction plays a critical role during the tribological applications. Figure 2 compares the evolution of the COF for different polymers against the Al2O3 ball during the wear tests. COF works as an indicator of when failures occur and the wear process enters a new stage. Among the tested polymers, HDPE maintains the lowest constant COF of ~0.15 throughout the wear test. The smooth COF implies that a stable tribo-contact is formed.

Figure 3 and Figure 4 compare the wear tracks of the polymer samples after the test is measured by the optical microscope. The In-situ non-contact 3D profilometer precisely determines the wear volume of the polymer samples, making it possible to accurately calculate wear rates of 0.0029, 0.0020, and 0.0032m3/N m, respectively. In comparison, the CPVC sample shows the highest wear rate of 0.1121m3/N m. Deep parallel wear scars are present in the wear track of CPVC.

CONCLUSIÓN

The wear resistance of the polymers plays a vital role in their service performance. In this study, we showcased that the Nanovea Tribometer evaluates the coefficient of friction and wear rate of different polymers in a
well-controlled and quantitative manner. HDPE shows the lowest COF of ~0.15 among the tested polymers. HDPE, Nylon 66, and Polypropylene samples possess low wear rates of 0.0029, 0.0020 and 0.0032 m3/N m, respectively. The combination of low friction and great wear resistance makes HDPE a good candidate for polymer tribological applications.

The In-situ non-contact 3D profilometer enables precise wear volume measurement and offers a tool to analyze the detailed morphology of the wear tracks, providing more insight into the fundamental understanding of wear mechanisms

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Productos

Perfilómetros

PS50 (Compacto avanzado)

JR25 (Compacto portátil)

ST400 (Estándar modular)

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Indentación | Esfuerzo frente a deformación

Indentación | Fluencia y relajación

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Alta temperatura

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Rasguño | Fallo de cohesión

Rayado | Dureza al rayado

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Baja temperatura

Líquido

Pruebas de tribología

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Alta temperatura

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Líquido

Baja temperatura

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Vacío

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