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AR Categoría: Pruebas de tribología
Evaluación del desgaste por rozamiento
EVALUACIÓN DEL DESGASTE POR ROZAMIENTO
Autor:
Doctor Duanjie Li
Revisado por
Jocelyn Esparza
INTRODUCCIÓN
El rozamiento es "un proceso especial de desgaste que se produce en la zona de contacto entre dos materiales sometidos a carga y sometidos a un movimiento relativo mínimo por vibración u otra fuerza". Cuando las máquinas están en funcionamiento, se producen inevitablemente vibraciones en las uniones atornilladas o con pasadores, entre componentes que no están destinados a moverse y en acoplamientos y cojinetes oscilantes. La amplitud de este movimiento de deslizamiento relativo suele ser del orden de micrómetros a milímetros. Este movimiento repetitivo de baja amplitud provoca un grave desgaste mecánico localizado y transferencia de material en la superficie, lo que puede reducir la eficacia de la producción, el rendimiento de la máquina o incluso dañarla.
Importancia de lo cuantitativo
Evaluación del desgaste por rozamiento
El desgaste por frotamiento a menudo implica varios mecanismos de desgaste complejos que tienen lugar en la superficie de contacto, incluida la abrasión de dos cuerpos, la adhesión y/o el desgaste por fatiga por frotamiento. Con el fin de comprender el mecanismo de desgaste por frotamiento y seleccionar el mejor material para la protección contra el desgaste por frotamiento, es necesaria una evaluación fiable y cuantitativa del desgaste por frotamiento. El comportamiento del desgaste por frotamiento se ve influido significativamente por el entorno de trabajo, como la amplitud de desplazamiento, la carga normal, la corrosión, la temperatura, la humedad y la lubricación. Un método versátil tribómetro que puedan simular las diferentes condiciones de trabajo realistas serán ideales para la evaluación del desgaste por rozamiento.
Steven R. Lampman, Manual ASM: Volumen 19: Fatiga y fractura
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En este estudio, evaluamos los comportamientos de desgaste por rozamiento de una muestra de acero inoxidable SS304 a diferentes velocidades de oscilación y temperaturas para mostrar la capacidad de NANOVEA T50 Tribómetro en la simulación del proceso de desgaste por frotamiento del metal de forma bien controlada y supervisada.
NANOVEA
T50
CONDICIONES DE ENSAYO
La resistencia al desgaste por frotamiento de una muestra de acero inoxidable SS304 se evaluó mediante NANOVEA Tribómetro utilizando un módulo de desgaste alternativo lineal. Se utilizó una bola de WC (6 mm de diámetro) como contramaterial. La pista de desgaste se examinó utilizando un NANOVEA Perfilómetro 3D sin contacto.
La prueba de rozamiento se realizó a temperatura ambiente (TA) y a 200 °C para estudiar el efecto de la alta temperatura en la resistencia al desgaste por frotamiento de la muestra SS304. Una placa calefactora situada en la platina de la muestra calentó la muestra durante el ensayo de desgaste por fricción a 200 °C. 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.
Tenga en cuenta que en este estudio se ha utilizado como ejemplo una bola de WC como contramaterial. Puede aplicarse cualquier material sólido con diferentes formas y acabados superficiales utilizando un accesorio personalizado para simular la situación de aplicación real.
PARÁMETROS DE PRUEBA
de las mediciones de desgaste
RESULTADOS Y DEBATE
El perfil 3D de la huella de desgaste permite determinar de forma directa y precisa la pérdida de volumen de la huella de desgaste calculada por el NANOVEA Software de análisis de montañas.
La prueba de desgaste alternativo a baja velocidad de 100 rpm y temperatura ambiente muestra una pequeña huella de desgaste de 0,014 mm.³. En comparación, la prueba de desgaste por frotamiento realizada a una velocidad elevada de 1.000 rpm crea una huella de desgaste sustancialmente mayor, con un volumen de 0,12 mm.³. Este proceso de desgaste acelerado puede atribuirse al elevado calor y a la intensa vibración generados durante el ensayo de desgaste por frotamiento, que favorecen la oxidación de los restos metálicos y provocan una abrasión severa de tres cuerpos. El ensayo de desgaste por frotamiento a una temperatura elevada de 200 °C forma una huella de desgaste mayor de 0,27 mm³.
La prueba de desgaste por rozamiento a 1000 rpm tiene una tasa de desgaste de 1,5×10-4 mm³/Nm, que es casi nueve veces superior a la del ensayo de desgaste alternativo a 100 rpm. La prueba de desgaste por rozamiento a temperatura elevada acelera aún más la tasa de desgaste hasta 3,4×10-4 mm³/Nm. Una diferencia tan significativa en la resistencia al desgaste medida a diferentes velocidades y temperaturas muestra la importancia de simulaciones adecuadas del desgaste por rozamiento para aplicaciones realistas.
El comportamiento del desgaste puede cambiar drásticamente cuando se introducen en el tribosistema pequeños cambios en las condiciones de ensayo. La versatilidad del NANOVEA El tribómetro permite medir el desgaste en diversas condiciones, como alta temperatura, lubricación, corrosión y otras. El control preciso de la velocidad y la posición mediante el motor avanzado permite a los usuarios realizar la prueba de desgaste a velocidades que oscilan entre 0,001 y 5000 rpm, lo que lo convierte en una herramienta ideal para que los laboratorios de investigación/pruebas investiguen el desgaste por rozamiento en diferentes condiciones tribológicas.
Pistas de desgaste por rozamiento en diversas condiciones
bajo el microscopio óptico
PERFILES 3D WEAR TRACKs
profundizar en los conocimientos fundamentales
del mecanismo de desgaste por rozamiento
RESUMEN DE RESULTADOS DE LAS PISTAS DE DESGASTE
medido utilizando diferentes parámetros de ensayo
CONCLUSIÓN
En este estudio, mostramos la capacidad del NANOVEA Tribometer en la evaluación del comportamiento de desgaste por rozamiento de una muestra de acero inoxidable SS304 de forma bien controlada y cuantitativa.
La velocidad y la temperatura de ensayo desempeñan un papel fundamental en la resistencia al desgaste por frotamiento de los materiales. El elevado calor y la intensa vibración durante el fretado provocaron un desgaste sustancialmente acelerado de la muestra de SS304 en cerca de nueve veces. La elevada temperatura de 200 °C aumentó la tasa de desgaste a 3,4×10-4 mm3/Nm.
La versatilidad del NANOVEA El tribómetro lo convierte en una herramienta ideal para medir el desgaste por rozamiento en diversas condiciones, como alta temperatura, lubricación, corrosión y otras.
NANOVEA Los tribómetros ofrecen pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. Nuestra incomparable gama es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.
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
Prueba de desgaste Block-On-Ring
IMPORTANCIA DE LA EVALUACIÓN DEL DESGASTE DEL BLOQUE SOBRE EL ANILLO
El desgaste por deslizamiento es la pérdida progresiva de material que se produce cuando dos materiales se deslizan uno contra otro en la zona de contacto bajo carga. Se produce inevitablemente en una amplia variedad de industrias en las que se utilizan máquinas y motores, como la automotriz, la aeroespacial, la del petróleo y el gas, entre muchas otras. Este movimiento de deslizamiento provoca un grave desgaste mecánico y una transferencia de material en la superficie, lo que puede reducir la eficiencia de la producción, el rendimiento de la máquina o incluso dañar la máquina.
El desgaste por deslizamiento suele implicar mecanismos de desgaste complejos que tienen lugar en la superficie de contacto, como el desgaste por adhesión, la abrasión de dos cuerpos, la abrasión de tres cuerpos y el desgaste por fatiga. El comportamiento de desgaste de los materiales se ve influido significativamente por el entorno de trabajo, como la carga normal, la velocidad, la corrosión y la lubricación. Un versátil tribómetro que puedan simular las diferentes condiciones de trabajo reales serán ideales para evaluar el desgaste.
La prueba Block-on-Ring (ASTM G77) es una técnica ampliamente utilizada que evalúa el comportamiento de desgaste por deslizamiento de los materiales en diferentes condiciones simuladas, lo que permite clasificar de forma fiable los pares de materiales para aplicaciones tribológicas específicas.
La prueba Block-on-Ring (ASTM G77) es una técnica ampliamente utilizada que evalúa el comportamiento de desgaste por deslizamiento de los materiales en diferentes condiciones simuladas, lo que permite clasificar de forma fiable los pares 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 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 se evaluó con el tribómetro de Nanovea utilizando el módulo Block-on-Ring. El bloque H-30 está fabricado con acero para herramientas 01 con una dureza de 30 HRC, mientras que el anillo S-10 es de acero tipo 4620 con una dureza superficial de 58 a 63 HRC y un diámetro de ~34,98 mm. Las pruebas Block-on-Ring se realizaron en entornos secos y lubricados para investigar el efecto sobre el comportamiento de desgaste. Las pruebas de lubricación se realizaron con aceite mineral pesado USP. La huella de desgaste se examinó utilizando el Perfilómetro 3D sin contacto. 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 y s es la distancia de deslizamiento.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La figura 2 compara el coeficiente de fricción (COF) de las pruebas Block-on-Ring en entornos secos y lubricados. El bloque presenta una fricción significativamente mayor en un entorno seco que en uno lubricado. 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 con lubricación con aceite mineral pesado USP muestra un COF bajo y constante de 0,09 a lo largo de la prueba de desgaste de 500 000 revoluciones. El lubricante reduce significativamente el COF entre las superficies en aproximadamente 90 veces.
Las figuras 3 y 4 muestran las imágenes ópticas y los perfiles transversales en 2D de las marcas de desgaste en los bloques tras las pruebas de desgaste en seco y lubricado. Los volúmenes de las marcas de desgaste y las tasas de desgaste se enumeran en la tabla 2. El bloque de acero tras la prueba de desgaste en seco a una velocidad de rotación inferior de 72 rpm durante 200 revoluciones presenta un gran volumen de marcas de desgaste de 9,45 mm˙. En comparación, la prueba de desgaste realizada a una velocidad superior de 197 rpm durante 500 000 revoluciones en el lubricante de aceite mineral crea un volumen de huellas de desgaste sustancialmente menor, de 0,03 mm˙.
Las imágenes de la figura 3 muestran que durante las pruebas en condiciones secas se produce un desgaste severo en comparación con el desgaste leve de la prueba de desgaste lubricada. El calor elevado y las intensas vibraciones generadas durante la prueba de desgaste en seco favorecen la oxidación de los residuos metálicos, lo que da lugar a una abrasión severa entre tres cuerpos. En la prueba lubricada, el aceite mineral reduce la fricción y enfría la superficie 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 diferentes entornos demuestra la importancia de una simulación adecuada del desgaste por deslizamiento en condiciones de servicio realistas.
El comportamiento frente al 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 un motor avanzado permite realizar pruebas de desgaste a velocidades que oscilan entre 0,001 y 5000 rpm, lo que lo convierte en una herramienta ideal para que los laboratorios de investigación y pruebas investiguen el desgaste en diferentes condiciones tribológicas.
El estado de la superficie de las muestras se examinó con el perfilómetro óptico sin contacto de Nanovea. La figura 5 muestra la morfología de la superficie de los anillos tras las pruebas de desgaste. Se ha eliminado la forma cilíndrica para presentar mejor la morfología y la rugosidad de la superficie creadas por el proceso de desgaste por deslizamiento. Se produjo un aumento significativo de la rugosidad de la superficie debido al proceso de abrasión de tres cuerpos durante la prueba de desgaste en seco de 200 revoluciones. 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 los 5,7 y 9,1 µm de la prueba de desgaste lubricado a largo plazo de 500 000 revoluciones a una velocidad más alta. 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 del 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 de metales de acero utilizando el módulo Block-on-Ring, siguiendo la norma ASTM G77. El lubricante desempeña un papel fundamental en las propiedades de desgaste del par 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 de 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 inigualable gama de Nanovea es una solución ideal para determinar todas las propiedades tribológicas de recubrimientos, películas y sustratos delgados o gruesos, blandos o duros.
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Evaluación del desgaste y el rayado del alambre de cobre tratado superficialmente
Importancia de la evaluación del desgaste y el rayado del alambre de cobre
El cobre tiene una larga historia de uso en el cableado eléctrico desde la invención del electroimán y el telégrafo. Los hilos de cobre se utilizan en una amplia gama de equipos electrónicos, como paneles, contadores, ordenadores, máquinas comerciales y electrodomésticos, gracias a su resistencia a la corrosión, soldabilidad y rendimiento a temperaturas elevadas de hasta 150°C. Aproximadamente la mitad del cobre extraído se destina a la fabricación de alambres y cables eléctricos.
La calidad de la superficie de los alambres de cobre es fundamental para el rendimiento y la vida útil de las aplicaciones. Los microdefectos en los alambres pueden provocar un desgaste excesivo, el inicio y la propagación de grietas, una disminución de la conductividad y una soldabilidad inadecuada. Un tratamiento adecuado de la superficie de los alambres de cobre elimina los defectos superficiales generados durante el trefilado, mejorando la resistencia a la corrosión, los arañazos y el desgaste. Muchas aplicaciones aeroespaciales con alambres de cobre requieren un comportamiento controlado para evitar fallos inesperados del equipo. Se necesitan mediciones cuantificables y fiables para evaluar adecuadamente la resistencia al desgaste y al rayado de la superficie del alambre de cobre.
Objetivo de medición
En esta aplicación simulamos un proceso de desgaste controlado de diferentes tratamientos superficiales de alambre de cobre. Prueba del rasguño mide la carga necesaria para provocar un fallo en la capa superficial tratada. Este estudio muestra la capacidad de Nanovea Tribómetro y Comprobador mecánico como herramientas ideales para la evaluación y el control de calidad de los cables eléctricos.
Procedimiento de ensayo y procedimientos
El coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de dos tratamientos superficiales diferentes en alambres de cobre (Alambre A y Alambre B) se evaluaron mediante el tribómetro Nanovea utilizando un módulo de desgaste alternativo lineal. Una bola de Al₂O₃ (6 mm de diámetro) es el contramaterial utilizado en esta aplicación. La pista de desgaste se examinó utilizando el tribómetro de Nanovea Perfilómetro 3D sin contacto. Los parámetros de la prueba se resumen en la Tabla 1.
En este estudio se utilizó como ejemplo una bola lisa de Al₂O₃ como contramaterial. Puede aplicarse cualquier material sólido con diferente forma y acabado superficial utilizando una fijación personalizada para simular la situación de aplicación real.
El comprobador mecánico de Nanovea equipado con un palpador de diamante Rockwell C (100 μm de radio) realizó ensayos de rayado de carga progresiva en los hilos recubiertos utilizando el modo de micro rayado. Los parámetros del ensayo de rayado y la geometría de la punta se muestran en la Tabla 2.
Resultados y debate
Desgaste del hilo de cobre:
La figura 2 muestra la evolución del COF de los hilos de cobre durante las pruebas de desgaste. El alambre A muestra un COF estable de ~0,4 durante todo el ensayo de desgaste, mientras que el alambre B exhibe un COF de ~0,35 en las primeras 100 revoluciones y aumenta progresivamente hasta ~0,4.
La figura 3 compara las huellas de desgaste de los hilos de cobre tras las pruebas. El perfilómetro 3D sin contacto de Nanovea ofreció un análisis superior de la morfología detallada de las huellas de desgaste. Permite determinar de forma directa y precisa el volumen de la huella de desgaste proporcionando una comprensión fundamental del mecanismo de desgaste. La superficie del alambre B presenta daños significativos en la huella de desgaste tras una prueba de desgaste de 600 revoluciones. La vista en 3D del perfilómetro muestra la capa tratada de la superficie del alambre B completamente eliminada, lo que aceleró sustancialmente el proceso de desgaste. Esto dejó una huella de desgaste aplanada en el alambre B, donde el sustrato de cobre está expuesto. Esto puede acortar significativamente la vida útil de los equipos eléctricos en los que se utiliza el cable B. En comparación, el alambre A presenta un desgaste relativamente leve, que se manifiesta por una huella de desgaste poco profunda en la superficie. La capa tratada superficialmente en el alambre A no se eliminó como la capa del alambre B en las mismas condiciones.
Resistencia al rayado de la superficie del hilo de cobre:
La figura 4 muestra las huellas de arañazos en los cables después de la prueba. La capa protectora del cable A muestra una resistencia al rayado muy buena. Se deslamina a una carga de ~12,6 N. En comparación, la capa protectora del alambre B falló a una carga de ~1,0 N. Una diferencia tan significativa en la resistencia al rayado de estos alambres contribuye a su rendimiento frente al desgaste, donde el alambre A posee una resistencia al desgaste sustancialmente mayor. La evolución de la fuerza normal, el COF y la profundidad durante las pruebas de rayado mostradas en la Fig. 5 proporciona más información sobre el fallo del revestimiento durante las pruebas.
Conclusión
En este estudio controlado mostramos el tribómetro de Nanovea, que realiza una evaluación cuantitativa de la resistencia al desgaste de los alambres de cobre tratados superficialmente, y el comprobador mecánico de Nanovea, que proporciona una evaluación fiable de la resistencia al rayado de los alambres de cobre. El tratamiento superficial del alambre desempeña un papel fundamental en las propiedades tribo-mecánicas durante su vida útil. El tratamiento adecuado de la superficie del alambre A mejoró significativamente la resistencia al desgaste y a los arañazos, lo que es fundamental para el rendimiento y la vida útil de los cables eléctricos en entornos difíciles.
El tribómetro de Nanovea ofrece pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La incomparable gama de Nanovea es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.
Tribología de carga dinámica
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.
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
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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Medición continua de la curva de Stribeck utilizando un tribómetro de disco con pasador
Introducción:
Cuando se aplica lubricación para reducir el desgaste y la fricción de las superficies en movimiento, el contacto de lubricación en la interfaz puede cambiar de varios regímenes, como la lubricación límite, mixta e hidrodinámica. El espesor de la película de fluido desempeña un papel importante en este proceso, determinado principalmente por la viscosidad del fluido, la carga aplicada en la interfaz y la velocidad relativa entre las dos superficies. La forma en que los regímenes de lubricación reaccionan a la fricción se muestra en lo que se denomina curva de Stribeck [1-4].
En este estudio demostramos por primera vez la capacidad de medir una curva de Stribeck continua. Utilizando el Nanovea Tribómetro Control de velocidad avanzado sin escalonamientos, de 15 000 a 0,01 rpm. En 10 minutos, el software proporciona directamente una curva de Stribeck completa. La sencilla configuración inicial solo requiere que los usuarios seleccionen el modo de rampa exponencial e introduzcan las velocidades inicial y final, en lugar de tener que realizar múltiples pruebas o programar un procedimiento por pasos a diferentes velocidades que requiere la unión de datos para las mediciones convencionales de la curva de Stribeck. Este avance proporciona datos precisos a lo largo de la evaluación del régimen de lubricación y reduce sustancialmente el tiempo y el costo. La prueba muestra un gran potencial para ser utilizada en diferentes aplicaciones de ingeniería industrial.
Comparación de gotas lubricantes para los ojos utilizando el tribómetro Nanovea T50
Importancia de probar las soluciones oftálmicas
Las soluciones oftálmicas se utilizan para aliviar los síntomas causados por diversos problemas oculares. Por ejemplo, pueden utilizarse para tratar irritaciones oculares leves (como sequedad y enrojecimiento), retrasar la aparición del glaucoma o tratar infecciones. Las soluciones oftálmicas de venta libre se utilizan principalmente para tratar la sequedad. Su eficacia para lubricar el ojo puede compararse y medirse con una prueba de coeficiente de fricción.
La sequedad ocular puede deberse a una amplia variedad de factores, como la fatiga visual por el uso del ordenador o la exposición a condiciones climáticas extremas al aire libre. Unas buenas gotas lubricantes para los ojos ayudan a mantener y complementar la humedad de la superficie externa de los ojos. Esto alivia las molestias, el ardor, la irritación y el enrojecimiento asociados a la sequedad ocular. Mediante la medición del coeficiente de fricción (COF) de una solución oftálmica, se puede determinar su eficacia lubricante y compararla con otras soluciones.
Objetivo de medición
En este estudio, se midió el coeficiente de fricción (COF) de tres soluciones lubricantes diferentes para gotas oftálmicas utilizando la configuración de pin sobre disco en el tribómetro Nanovea T50.
Procedimiento de ensayo y procedimientos
Se aplicó un pasador esférico de alúmina de 6 mm de diámetro a un portaobjetos de vidrio, utilizando cada solución oftálmica como lubricante entre las dos superficies. Los parámetros de prueba utilizados en todos los experimentos se resumen en la tabla 1 a continuación.
Resultados y debate
Los valores máximos, mínimos y medios del coeficiente de fricción para las tres soluciones oftálmicas diferentes probadas se recogen en la tabla 2 a continuación. Los gráficos del COF frente a las revoluciones para cada solución oftálmica se muestran en las figuras 2-4. El COF durante cada prueba se mantuvo relativamente constante durante la mayor parte de la duración total de la prueba. La muestra A tuvo el COF medio más bajo, lo que indica que tenía las mejores propiedades lubricantes.
Conclusión
En este estudio mostramos la capacidad del tribómetro Nanovea T50 para medir el coeficiente de fricción de tres soluciones oftálmicas. A partir de estos valores, demostramos que la muestra A tenía un coeficiente de fricción más bajo y, por lo tanto, presentaba una mejor lubricación en comparación con las otras dos muestras.
Nanovea Tribómetros ofrece pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles utilizando módulos rotativos y lineales que cumplen con las normas ISO y ASTM. También proporciona módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión disponibles en un sistema preintegrado. Esta versatilidad permite a los usuarios simular mejor el entorno de aplicación real y mejorar la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de diversos materiales.
