ENSAYO DE DESGASTE DEL REVESTIMIENTO DE PTFE

UTILIZANDO TRIBÓMETROS Y COMPROBADORES MECÁNICOS

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

NANOVEA T50 Compacto
Tribómetro de peso libre

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Además, se utilizó el comprobador mecánico NANOVEA para realizar un ensayo de adhesión por microarañazos con el fin de determinar la carga crítica del fallo de adhesión del revestimiento de PTFE.

NANOVEA PB1000 Plataforma grande Comprobador mecánico

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RESULTADOS Y DEBATE

DESGASTE LINEAL ALTERNATIVO MEDIANTE TRIBÓMETRO

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

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

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

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

PTFE Antes del avance

COF máximo	0.217
Mín COF	0.125
COF medio	0.177

PTFE Después de la ruptura

COF máximo	0.217
Mín COF	0.125
COF medio	0.177

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

RESULTADOS Y DEBATE

PRUEBA DE ADHERENCIA AL MICROARAÑAZO CON UN COMPROBADOR MECÁNICO

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

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

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

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

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

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

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CINTURONES DE POLÍMERO

DESGASTE Y FRICCIÓN CON UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

NANOVEA

T2000

SABER MÁS

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

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

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

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

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

FIGURA 3:  Huellas de desgaste al microscopio óptico.

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PRUEBAS DE DESGASTE DE PISTONESUTILIZANDO EL TRIBÓMETRO NANOVEA

Preparado por

FRANK LIU

¿Qué es la prueba de desgaste de pistones?

Las pruebas de desgaste de pistones evalúan la fricción, la lubricación y la durabilidad de los materiales entre las faldas de pistón y las camisas de cilindro en condiciones controladas de laboratorio. Utilizando un tribómetroLos ingenieros pueden reproducir el movimiento alternativo real y medir con precisión el coeficiente de fricción, la tasa de desgaste y la topografía de la superficie en 3D. Estos resultados proporcionan información clave sobre el comportamiento tribológico de los revestimientos, lubricantes y aleaciones utilizados en los pistones de los motores, ayudando a optimizar el rendimiento, la eficiencia del combustible y la fiabilidad a largo plazo.

 Esquema del sistema de cilindros de potencia e interfaces falda del pistón-lubricante-guarnición del cilindro.

Módulo de líquido en el tribómetro NANOVEA T2000

El módulo gota a gota es crucial para este estudio. Dado que los pistones pueden moverse a gran velocidad (más de 3.000 rpm), es difícil crear una fina película de lubricante sumergiendo la muestra. Para solucionar este problema, el módulo gota a gota es capaz de aplicar una cantidad constante de lubricante sobre la superficie de la falda del pistón.

La aplicación de lubricante fresco también elimina la preocupación de que los contaminantes de desgaste desalojados influyan en las propiedades del lubricante.

Cómo simulan los tribómetros
Desgaste real de la camisa del pistón

En este informe se estudiarán las interfaces falda del pistón-lubricante- camisa del cilindro. Las interfaces se reproducirán mediante la realización de un movimiento alternativo lineal. prueba de desgaste con módulo de lubricante gota a gota.

El lubricante se aplicará a temperatura ambiente y en condiciones de calentamiento para comparar el arranque en frío y las condiciones óptimas de funcionamiento. Se observará el COF y la tasa de desgaste para comprender mejor cómo se comportan las interfaces en aplicaciones reales.

NANOVEA T2000
Tribómetro de alta carga

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En este experimento, se utilizó A5052 como contramaterial. Aunque los bloques de motor suelen estar hechos de aluminio fundido, como el A356, el A5052 tiene propiedades mecánicas similares al A356 para este ensayo de simulación [1].

En las condiciones de ensayo, se observó un desgaste significativo en la falda del pistón a temperatura ambiente en comparación con 90°C. Los profundos arañazos observados en las muestras sugieren que el contacto entre el material estático y la falda del pistón se produce con frecuencia a lo largo de la prueba. La alta viscosidad a temperatura ambiente puede impedir que el aceite llene completamente los huecos en las interfaces y cree contacto metal-metal. A mayor temperatura, el aceite se diluye y puede fluir entre el bulón y el pistón. Como resultado, se observa un desgaste significativamente menor a mayor temperatura. La FIGURA 5 muestra que un lado de la cicatriz de desgaste se desgasta mucho menos que el otro. Esto se debe probablemente a la ubicación de la salida de aceite. El espesor de la película lubricante era mayor en un lado que en el otro, lo que provocó un desgaste desigual.

[1] "Aluminio 5052 frente a aluminio 356.0". MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

El COF de los ensayos tribológicos alternativos lineales puede dividirse en paso alto y paso bajo. El paso alto se refiere a la muestra que se mueve en la dirección de avance, o positiva, y el paso bajo se refiere a la muestra que se mueve en la dirección de retroceso, o negativa. Se observó que el COF medio del aceite RT era inferior a 0,1 en ambas direcciones. El COF medio entre pasadas fue de 0,072 y 0,080. Se observó que el COF medio del aceite a 90°C era diferente entre pasadas. Se observaron valores medios de COF de 0,167 y 0,09. La diferencia en el COF es una prueba adicional de que el aceite sólo fue capaz de humedecer correctamente un lado del pasador. Se obtuvo un COF elevado cuando se formó una película gruesa entre el bulón y la falda del pistón debido a que se produjo una lubricación hidrodinámica. Se observa un COF más bajo en la otra dirección cuando se produce una lubricación mixta. Para obtener más información sobre la lubricación hidrodinámica y la lubricación mixta, visite nuestra nota de aplicación en Curvas Stribeck.

Cuadro 1: Resultados de la prueba de desgaste de pistones lubricados.

FIGURA 1: Gráficos COF para la prueba de desgaste del aceite a temperatura ambiente A perfil bruto B paso alto C paso bajo.

FIGURA 2: Gráficos COF para la prueba de aceite de desgaste a 90°C A perfil bruto B paso alto C paso bajo.

FIGURA 3: Imagen óptica de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

FIGURA 4: Volumen de un análisis del agujero de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

FIGURA 5: Escaneado perfilométrico de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

FIGURA 6: Imagen óptica de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste de aceite de motor a 90°C

FIGURA 7: Volumen de un análisis de agujero de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste de aceite de motor a 90°C.

FIGURA 8: Escaneado perfilométrico de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste de aceite de motor a 90°C.

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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

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.

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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

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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.

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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

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La forma y la función de un tejido vienen determinadas por su calidad y durabilidad. El uso diario de los tejidos provoca el desgaste del material, por ejemplo, el amontonamiento, la pelusa y la decoloración. Un tejido de calidad inferior utilizado para prendas de vestir puede provocar a menudo la insatisfacción del consumidor y dañar la marca.

Intentar cuantificar las propiedades mecánicas de los tejidos puede plantear muchos retos. La estructura del hilo e incluso la fábrica en la que se produjo pueden dar lugar a una escasa reproducibilidad de los resultados de las pruebas. Esto dificulta la comparación de los resultados de las pruebas de distintos laboratorios. Medir las prestaciones de desgaste de los tejidos es fundamental para los fabricantes, distribuidores y minoristas de la cadena de producción textil. Una medición de la resistencia al desgaste bien controlada y reproducible es crucial para garantizar un control de calidad fiable del tejido.

Haga clic para leer la nota de aplicación completa.

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Los ensayos de desgaste lineal alternativo y rotativo (clavija sobre disco) son dos configuraciones ampliamente utilizadas de conformidad con ASTM para medir los comportamientos de desgaste por deslizamiento de los materiales. Dado que el valor de la tasa de desgaste de cualquier método de ensayo de desgaste se utiliza a menudo para predecir la clasificación relativa de las combinaciones de materiales, es extremadamente importante confirmar la repetibilidad de la tasa de desgaste medida utilizando diferentes configuraciones de ensayo. Esto permite a los usuarios considerar cuidadosamente el valor de la tasa de desgaste reportado en la literatura, lo cual es crítico para entender las características tribológicas de los materiales.

Más información

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Importancia de evaluar el rendimiento de las almohadillas de freno

Las pastillas de freno son compuestos, un material formado por múltiples ingredientes, que debe ser capaz de satisfacer un gran número de requisitos de seguridad. Las pastillas de freno ideales tienen un alto coeficiente de fricción (COF), un bajo índice de desgaste, un ruido mínimo y siguen siendo fiables en entornos variables. Para garantizar que la calidad de las pastillas de freno es capaz de satisfacer sus requisitos, pueden utilizarse ensayos tribológicos para identificar las especificaciones críticas.


La importancia de la fiabilidad de las pastillas de freno es muy alta; nunca debe descuidarse la seguridad de los pasajeros. Por ello, es fundamental reproducir las condiciones de funcionamiento e identificar posibles puntos de fallo.
Con el Nanovea Tribómetro, se aplica una carga constante entre un pasador, bola o plano y un contramaterial en constante movimiento. La fricción entre los dos materiales se recoge con una célula de carga rígida, lo que permite recoger las propiedades del material a diferentes cargas y velocidades y probarlo en entornos de alta temperatura, corrosivos o líquidos.

Objetivo de medición

En este estudio, se estudió el coeficiente de fricción de las pastillas de freno en un entorno de temperatura en continuo aumento desde la temperatura ambiente hasta 700°C. La temperatura ambiente se elevó in situ hasta que se observó un fallo apreciable de la pastilla de freno. Se colocó un termopar en la parte posterior de la clavija para medir la temperatura cerca de la interfaz de deslizamiento.

Procedimiento de ensayo y procedimientos

Resultados y debate

Este estudio se centra principalmente en la temperatura a la que empiezan a fallar las pastillas de freno. Los COF obtenidos no representan valores reales; el material de las patillas no es el mismo que el de los rotores de freno. También debe tenerse en cuenta que los datos de temperatura recogidos corresponden a la temperatura de la clavija y no a la temperatura de la interfaz de deslizamiento.

 

Al inicio de la prueba (temperatura ambiente), el COF entre el pasador SS440C y la pastilla de freno dio un valor constante de aproximadamente 0,2. A medida que aumentaba la temperatura, el COF aumentaba constantemente y alcanzaba un valor máximo de 0,26 cerca de 350°C. Por encima de 390°C, el COF empieza a disminuir rápidamente. El COF empezó a aumentar de nuevo hasta 0,2 a 450°C, pero poco después empezó a disminuir hasta un valor de 0,05.


La temperatura a la que fallaron sistemáticamente las pastillas de freno se identifica a temperaturas superiores a 500°C. Por encima de esta temperatura, el COF ya no era capaz de mantener el COF inicial de 0,2.

Conclusión

Las pastillas de freno han mostrado un fallo constante a una temperatura superior a 500°C. Su COF de 0,2 aumenta lentamente hasta un valor de 0,26 antes de descender a 0,05 al final de la prueba (580°C). La diferencia entre 0,05 y 0,2 es un factor de 4. ¡Esto significa que la fuerza normal a 580°C debe ser cuatro veces mayor que a temperatura ambiente para conseguir la misma fuerza de frenado!


Aunque no se incluye en este estudio, el tribómetro Nanovea también puede realizar pruebas para observar otra propiedad importante de las pastillas de freno: la velocidad de desgaste. Utilizando nuestros perfilómetros 3D sin contacto, se puede obtener el volumen de la huella de desgaste para calcular la rapidez con la que se desgastan las muestras. Las pruebas de desgaste pueden realizarse con el tribómetro Nanovea en diferentes condiciones y entornos de prueba para simular mejor las condiciones de funcionamiento.

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