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.

Las imágenes de las huellas de rayado de tres metales (Cu110, Al6061 y SS304) después de las pruebas se muestran en la FIGURA 1 con el fin de comparar la dureza de rayado de diferentes materiales. La función de mapeo del software NANOVEA Mechanical se utilizó para crear tres rayados paralelos ensayados bajo la misma condición en un protocolo automatizado. El ancho de la pista de rayado medido y el número de dureza de rayado calculado (HSP) se resumen y comparan en la TABLA 1. Los metales muestran diferentes anchos de pista de desgaste de 174, 220 y 89 µm para Al6061, Cu110 y SS304, respectivamente, dando como resultado un HSP calculado de 0,84, 0,52 y 3,2 GPa.

Además de la dureza al rayado calculada a partir de la anchura de la pista de rayado, se registraron in situ la evolución del coeficiente de fricción (COF), la profundidad real y la emisión acústica durante el ensayo de dureza al rayado. La profundidad real es la diferencia de profundidad entre la profundidad de penetración del palpador durante la prueba de rayado y el perfil de superficie medido en la exploración previa. En la FIGURA 2 se muestran, a modo de ejemplo, el COF, la profundidad real y la emisión acústica del Cu110. Esta información permite conocer los fallos mecánicos que tienen lugar durante el rayado, lo que permite a los usuarios detectar defectos mecánicos e investigar más a fondo el comportamiento al rayado del material ensayado.

Los ensayos de dureza al rayado pueden finalizarse en un par de minutos con gran precisión y repetibilidad. En comparación con los procedimientos de indentación convencionales, el ensayo de dureza al rayado de este estudio proporciona una solución alternativa para las mediciones de dureza, que resulta útil para el control de calidad y el desarrollo de nuevos materiales.

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.