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Category: Friction Testing | Coefficient of Friction

 

Evaluación de arañazos y desgaste en revestimientos industriales

RECUBRIMIENTO INDUSTRIAL

EVALUACIÓN DEL RAYADO Y EL DESGASTE MEDIANTE UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, Doctorado, y ANDREA HERRMANN

INTRODUCCIÓN

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

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

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

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

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

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

Tribómetro neumático compacto T100
NANOVEA T100

El tribómetro neumático compacto

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NANOVEA PB1000

El probador mecánico de plataforma grande

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PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

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

PRUEBA DE DESGASTE

Se utilizó el tribómetro NANOVEA para evaluar el comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste. Se aplicó una punta de bola SS440 (6 mm de diámetro, grado 100) contra las pinturas sometidas a prueba. El COF se registró in situ. La tasa de desgaste, K, se evaluó utilizando la fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento, A es el área transversal de la huella de desgaste y n es el número de revoluciones. La rugosidad de la superficie y los perfiles de las huellas de desgaste se evaluaron con el NANOVEA. Perfilómetro óptico, y se examinó la morfología de la pista de desgaste con un microscopio óptico.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE DESGASTE

FUERZA NORMAL

20 N

VELOCIDAD

15 m/min

DURACIÓN DE LA PRUEBA

100, 150, 300 y 800 ciclos

PRUEBA DE RAYADO

Se utilizó el probador mecánico NANOVEA equipado con una aguja de diamante Rockwell C (radio de 200 μm) para realizar pruebas de rayado con carga progresiva en las muestras de pintura utilizando el modo Micro Scratch Tester. Se utilizaron dos cargas finales: una carga final de 5 N para investigar la delaminación de la pintura de la imprimación y una de 35 N para investigar la delaminación de la imprimación de los sustratos metálicos. Se repitieron tres pruebas en las mismas condiciones de ensayo en cada muestra para garantizar la reproducibilidad de los resultados.

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

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE RAYADO

TIPO DE CARGAProgresiva
CARGA INICIAL0,01 mN
CARGA FINAL5 N / 35 N
VELOCIDAD DE CARGA10 / 70 N/min
LONGITUD DEL RASPADO3 mm
velocidad de rayado, dx/dt6,0 mm/min
GEOMETRÍA DEL PENETRADORcono de 120º
MATERIAL INDENTADOR (punta)Diamante
RADIO DE LA PUNTA DEL PENETRADOR200 μm

RESULTADOS DE LA PRUEBA DE DESGASTE

Se realizaron cuatro pruebas de desgaste con pasador sobre disco a diferentes números de revoluciones (100, 150, 300 y 800 ciclos) en cada muestra con el fin de supervisar la evolución del desgaste. La morfología de la superficie de las muestras se midió con un perfilómetro 3D sin contacto NANOVEA para cuantificar la rugosidad de la superficie antes de realizar las pruebas de desgaste. Todas las muestras tenían una rugosidad superficial comparable de aproximadamente 1 μm, como se muestra en la FIGURA 1. El COF se registró in situ durante las pruebas de desgaste, como se muestra en la FIGURA 2. La FIGURA 4 presenta la evolución de las huellas de desgaste después de 100, 150, 300 y 800 ciclos, y la FIGURA 3 resume la tasa de desgaste media de diferentes muestras en diferentes etapas del proceso de desgaste.

 

En comparación con un valor de COF de ~0,07 para las otras tres muestras, la muestra A presenta un COF mucho más alto de ~0,15 al principio, que aumenta gradualmente y se estabiliza en ~0,3 después de 300 ciclos de desgaste. Un COF tan alto acelera el proceso de desgaste y genera una cantidad considerable de residuos de pintura, como se indica en la FIGURA 4: la capa superior de la muestra A ha comenzado a desprenderse en las primeras 100 revoluciones. Como se muestra en la FIGURA 3, la muestra A presenta la tasa de desgaste más alta, de ~5 μm2/N, en los primeros 300 ciclos, que disminuye ligeramente hasta ~3,5 μm2/N debido a la mejor resistencia al desgaste del sustrato metálico. La capa superior de la muestra C comienza a fallar después de 150 ciclos de desgaste, como se muestra en la FIGURA 4, lo que también se indica por el aumento del COF en la FIGURA 2.

 

En comparación, las muestras B y D muestran propiedades tribológicas mejoradas. La muestra B mantiene un bajo coeficiente de fricción (COF) durante toda la prueba: el COF aumenta ligeramente de ~0,05 a ~0,1. Este efecto lubricante mejora sustancialmente su resistencia al desgaste: la capa superior sigue proporcionando una protección superior a la imprimación subyacente después de 800 ciclos de desgaste. La tasa de desgaste promedio más baja, de solo ~0,77 μm2/N, se mide para la muestra B a los 800 ciclos. La capa superior de la muestra D comienza a deslaminarse después de 375 ciclos, como se refleja en el aumento abrupto del COF en la FIGURA 2. La tasa de desgaste promedio de la muestra D es de ~1,1 μm2/N a los 800 ciclos.

 

En comparación con las mediciones de abrasión Taber convencionales, el tribómetro NANOVEA proporciona evaluaciones de desgaste cuantificables y fiables bien controladas que garantizan evaluaciones reproducibles y el control de calidad de las pinturas comerciales para suelos y automóviles. Además, la capacidad de realizar mediciones de COF in situ permite a los usuarios correlacionar las diferentes etapas de un proceso de desgaste con la evolución del COF, lo cual es fundamental para mejorar la comprensión básica del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de diversos recubrimientos de pintura.

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

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

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

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

RESULTADOS DE LA PRUEBA DE RAYADO

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

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

Las FIGURAS 6 y 7 muestran los rayones completos de las cuatro muestras de pintura probadas con una carga máxima de 5 N y 35 N, respectivamente. La muestra D requirió una carga mayor, de 50 N, para deslaminar la imprimación. Las pruebas de rayado con una carga final de 5 N (FIGURA 6) evalúan el fallo cohesivo/adhesivo de la pintura superior, mientras que las realizadas con 35 N (FIGURA 7) evalúan la deslaminación de la imprimación. Las flechas de las micrografías indican el punto en el que la capa superior o la imprimación comienzan a desprenderse completamente de la imprimación o del sustrato. La carga en este punto, denominada carga crítica, Lc, se utiliza para comparar las propiedades cohesivas o adhesivas de la pintura, tal y como se resume en la Tabla 1.

 

Es evidente que la muestra de pintura D tiene la mejor adhesión interfacial, ya que presenta los valores Lc más altos, de 4,04 N en la delaminación de la pintura y 36,61 N en la delaminación de la imprimación. La muestra B muestra la segunda mejor resistencia al rayado. A partir del análisis de rayado, demostramos que la optimización de la fórmula de la pintura es fundamental para el comportamiento mecánico o, más concretamente, para la resistencia al rayado y la propiedad de adhesión de las pinturas acrílicas para suelos.

Cuadro 1: Resumen de cargas críticas.

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

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

CONCLUSIÓN

En comparación con las mediciones de abrasión Taber convencionales, el probador mecánico y el tribómetro NANOVEA son herramientas superiores para la evaluación y el control de calidad de los recubrimientos comerciales para pisos y automóviles. El probador mecánico NANOVEA en modo Rasguño puede detectar problemas de adhesión/cohesión en un sistema de recubrimiento. El tribómetro NANOVEA proporciona un análisis tribológico cuantificable y repetible bien controlado sobre la resistencia al desgaste y el coeficiente de fricción de las pinturas.

 

Basándonos en los análisis tribológicos y mecánicos exhaustivos realizados a los recubrimientos acrílicos para suelos a base de agua probados en este estudio, demostramos que la muestra B posee el menor coeficiente de fricción y la menor tasa de desgaste, así como la segunda mejor resistencia al rayado, mientras que la muestra D presenta la mejor resistencia al rayado y la segunda mejor resistencia al desgaste. Esta evaluación nos permite valorar y seleccionar el mejor candidato en función de las necesidades de los diferentes entornos de aplicación.

 

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

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Prueba de rayado del revestimiento de nitruro de titanio

PRUEBA DE RAYADO DEL RECUBRIMIENTO DE NITRURO DE TITANIO

INSPECCIÓN DE CONTROL DE CALIDAD

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

INTRODUCCIÓN

La combinación de alta dureza, excelente resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión e inercia hace que el nitruro de titanio (TiN) sea un recubrimiento protector ideal para componentes metálicos en diversas industrias. Por ejemplo, la retención de los bordes y la resistencia a la corrosión de un recubrimiento de TiN pueden aumentar sustancialmente la eficiencia del trabajo y prolongar la vida útil de las herramientas mecánicas, como las cuchillas de afeitar, los cortadores de metal, los moldes de inyección y las sierras. Su alta dureza, inercia y no toxicidad hacen del TiN un excelente candidato para aplicaciones en dispositivos médicos, incluidos implantes e instrumentos quirúrgicos.

IMPORTANCIA DE LAS PRUEBAS DE RAYADO DEL RECUBRIMIENTO DE TiN

La tensión residual en los recubrimientos protectores PVD/CVD desempeña un papel fundamental en el rendimiento y la integridad mecánica del componente recubierto. La tensión residual se deriva de varias fuentes principales, entre las que se incluyen la tensión de crecimiento, los gradientes térmicos, las restricciones geométricas y la tensión de servicio¹. La discrepancia en la expansión térmica entre el recubrimiento y el sustrato que se produce durante la deposición del recubrimiento a temperaturas elevadas da lugar a una alta tensión residual térmica. Además, las herramientas recubiertas de TiN se utilizan a menudo bajo tensiones muy concentradas, por ejemplo, brocas y rodamientos. Es fundamental desarrollar un proceso de control de calidad fiable para inspeccionar cuantitativamente la resistencia cohesiva y adhesiva de los recubrimientos funcionales protectores.

[1] V. Teixeira, Vacuum 64 (2002) 393-399.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, mostramos que el NANOVEA Comprobadores mecánicos en modo Scratch son ideales para evaluar la resistencia cohesiva/adhesiva de los recubrimientos protectores de TiN de forma controlada y cuantitativa.

NANOVEA

PB1000

SABER MÁS
nanoindentador y rayador Nanovea PB1000

CONDICIONES DE ENSAYO

Se utilizó el comprobador mecánico NANOVEA PB1000 para realizar el recubrimiento. pruebas de rascado en tres recubrimientos de TiN utilizando los mismos parámetros de prueba que se resumen a continuación:

MODO DE CARGA: Lineal progresivo

CARGA INICIAL

0,02 N

CARGA FINAL

10 N

VELOCIDAD DE CARGA

20 N/min

LONGITUD DEL RASPADO

5 mm

TIPO DE INDENTADOR

Esférico-cónico

Diamante, radio de 20 μm

RESULTADOS Y DEBATE

La FIGURA 1 muestra la evolución registrada de la profundidad de penetración, el coeficiente de fricción (COF) y la emisión acústica durante la prueba. Las microrayaduras completas en las muestras de TiN se muestran en la FIGURA 2. Los comportamientos de fallo a diferentes cargas críticas se muestran en la FIGURA 3, donde la carga crítica Lc1 se define como la carga a la que se produce el primer signo de grieta cohesiva en la traza de rayado, Lc2 es la carga a partir de la cual se producen fallos repetidos por espalación, y Lc3 es la carga a la que el recubrimiento se desprende completamente del sustrato. Los valores de carga crítica (Lc) para los recubrimientos de TiN se resumen en la FIGURA 4.

La evolución de la profundidad de penetración, el COF y la emisión acústica proporcionan información sobre el mecanismo de fallo del recubrimiento en diferentes etapas, que se representan mediante las cargas críticas en este estudio. Se puede observar que la muestra A y la muestra B muestran un comportamiento similar durante la prueba de rayado. El lápiz penetra progresivamente en la muestra hasta una profundidad de ~0,06 mm y el COF aumenta gradualmente hasta ~0,3 a medida que la carga normal aumenta linealmente al comienzo de la prueba de rayado del recubrimiento. Cuando se alcanza el Lc1 de ~3,3 N, se produce el primer signo de fallo por astillamiento. Esto también se refleja en los primeros picos importantes en el gráfico de profundidad de penetración, COF y emisión acústica. A medida que la carga sigue aumentando hasta Lc2 de ~3,8 N, se produce una mayor fluctuación de la profundidad de penetración, el COF y la emisión acústica. Podemos observar un fallo por espalación continuo presente en ambos lados de la pista de rayado. En Lc3, el recubrimiento se deslamina completamente del sustrato metálico bajo la alta presión aplicada por el estilete, dejando el sustrato expuesto y sin protección.

En comparación, la muestra C presenta cargas críticas más bajas en diferentes etapas de las pruebas de rayado del recubrimiento, lo que también se refleja en la evolución de la profundidad de penetración, el coeficiente de fricción (COF) y la emisión acústica durante la prueba de rayado del recubrimiento. La muestra C posee una capa intermedia de adhesión con menor dureza y mayor tensión en la interfaz entre el recubrimiento superior de TiN y el sustrato metálico en comparación con la muestra A y la muestra B.

Este estudio demuestra la importancia de un soporte adecuado del sustrato y una arquitectura adecuada del recubrimiento para la calidad del sistema de recubrimiento. Una capa intermedia más resistente puede resistir mejor la deformación bajo una carga externa elevada y una tensión de concentración, lo que mejora la fuerza cohesiva y adhesiva del sistema de recubrimiento/sustrato.

FIGURA 1: Evolución de la profundidad de penetración, el COF y la emisión acústica de las muestras de TiN.

FIGURA 2: Rastro completo de rayaduras de los recubrimientos TiN después de las pruebas.

FIGURA 3: Fallos del recubrimiento TiN bajo diferentes cargas críticas, Lc.

FIGURA 4: Resumen de los valores de carga crítica (Lc) para los recubrimientos de TiN.

CONCLUSIÓN

En este estudio, demostramos que el probador mecánico NANOVEA PB1000 realiza pruebas de rayado fiables y precisas en muestras recubiertas de TiN de forma controlada y estrechamente supervisada. Las mediciones de rayado permiten a los usuarios identificar rápidamente la carga crítica a la que se producen los fallos típicos de cohesión y adhesión del recubrimiento. Nuestros instrumentos son herramientas de control de calidad superiores que pueden inspeccionar y comparar cuantitativamente la calidad intrínseca de un recubrimiento y la integridad interfacial de un sistema de recubrimiento/sustrato. Un recubrimiento con una capa intermedia adecuada puede resistir grandes deformaciones bajo una alta carga externa y una tensión de concentración, y mejorar la fuerza de cohesión y adhesión de un sistema de recubrimiento/sustrato.

Los módulos Nano y Micro de un medidor mecánico NANOVEA incluyen modos de medición de indentación, rayado y desgaste que cumplen con las normas ISO y ASTM, lo que proporciona la gama de pruebas más amplia y fácil de usar disponible en un solo sistema. La inigualable gama de NANOVEA es la solución ideal para determinar todas las propiedades mecánicas de recubrimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluyendo la dureza, el módulo de Young, la resistencia a la fractura, la adhesión, la resistencia al desgaste y muchas otras.

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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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