Categoría: Pruebas de tribología

Tribología de las rocas

TRIBOLOGÍA DE ROCAS

USO DEL TRIBÓMETRO NANOVEA

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

Las rocas están compuestas de granos de minerales. El tipo y abundancia de estos minerales, así como la fuerza de los enlaces químicos entre los granos minerales, determinan las propiedades mecánicas y tribológicas de las rocas. Dependiendo de los ciclos geológicos de las rocas, las rocas pueden sufrir transformaciones y normalmente se clasifican en tres tipos principales: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Estas rocas exhiben diferentes composiciones minerales y químicas, permeabilidades y tamaños de partículas, y tales características contribuyen a su variada resistencia al desgaste. La tribología de rocas explora los comportamientos de desgaste y fricción de las rocas en diversas condiciones geológicas y ambientales.

IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA DE ROCAS

Durante el proceso de perforación de pozos se producen diversos tipos de desgaste de las rocas, incluidos la abrasión y la fricción, lo que provoca importantes pérdidas directas y consecuentes atribuidas a la reparación y sustitución de brocas y herramientas de corte. Por lo tanto, el estudio de la perforabilidad, la capacidad de perforación, la cortabilidad y la abrasividad de las rocas es fundamental en las industrias del petróleo, el gas y la minería. La investigación de tribología de rocas desempeña un papel fundamental en la selección de las estrategias de perforación más eficientes y rentables, mejorando así la eficiencia general y contribuyendo a la conservación de materiales, energía y medio ambiente. Además, minimizar la fricción de la superficie es muy ventajoso para reducir la interacción entre la broca de perforación y la roca, lo que resulta en un menor desgaste de la herramienta y una mejor eficiencia de perforación/corte.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

NANOVEA

T50

LAS MUESTRAS

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

El coeficiente de fricción, COF y la resistencia al desgaste de dos muestras de roca se evaluaron mediante el tribómetro NANOVEA T50 utilizando un módulo de desgaste de pasador sobre disco. Como contramaterial se utilizó una bola de Al2O3 (6 mm de diámetro). La huella de desgaste se examinó utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA después de las pruebas. Los parámetros de prueba se resumen a continuación.

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 de la sección transversal de la pista de desgaste, y n es el número de revoluciones. La rugosidad de la superficie y los perfiles de la pista de desgaste se evaluaron con el perfilómetro óptico NANOVEA y la morfología de la pista de desgaste se examinó utilizando un microscopio óptico.

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

PARÁMETROS DE LA PRUEBA

SUPERFICIE DE ACERO

Piedra caliza, Mármol

RADIO DEL ANILLO DE DESGASTE	5 mm
FUERZA NORMAL	10 N
DURACIÓN DE LA PRUEBA	10 minutos
VELOCIDAD	100 rpm

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La dureza (H) y el módulo elástico (E) de las muestras de piedra caliza y mármol se comparan en la FIGURA 1, utilizando el módulo de microindentación del probador mecánico NANOVEA. La muestra de piedra caliza exhibió valores más bajos de H y E, midiendo 0,53 y 25,9 GPa, respectivamente, en contraste con el mármol, que registró valores de 1,07 para H y 49,6 GPa para E. La variabilidad relativamente mayor en los valores de H y E observada en la La muestra de piedra caliza se puede atribuir a su mayor falta de homogeneidad superficial, derivada de sus características granuladas y porosas.

La evolución del COF durante las pruebas de desgaste de las dos muestras de roca se muestra en la FIGURA 2. La piedra caliza inicialmente experimenta un rápido aumento en el COF a aproximadamente 0,8 al comienzo de la prueba de desgaste, manteniendo este valor durante toda la prueba. Este cambio abrupto en el COF se puede atribuir a la penetración de la bola de Al2O3 en la muestra de roca, como resultado de un rápido proceso de desgaste y rugosidad que ocurre en la cara de contacto dentro de la pista de desgaste. En contraste, la muestra de mármol exhibe un aumento notable en COF a valores más altos después de aproximadamente 5 metros de distancia de deslizamiento, lo que significa su resistencia al desgaste superior en comparación con la piedra caliza.

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

FIGURA 2: Evolución del Coeficiente de Fricción (COF) en muestras de piedra caliza y mármol durante ensayos de desgaste.

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

FIGURA 3: Perfiles de sección transversal de las pistas de desgaste.

	ZONA DEL VALLE	PROFUNDIDAD DEL VALLE	TASA DE DESGASTE
CALIZA	35,3±5,9 × 10⁴ µm²	229±24 micras	0,0353 milímetros³/Nuevo Méjico
MÁRMOL	4,6 ± 1,2 × 10⁴ µm²	61±15 micras	0,0046 milímetros³/Nuevo Méjico

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

FIGURA 4: Huellas de desgaste bajo el microscopio óptico.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos la capacidad del tribómetro NANOVEA para evaluar el coeficiente de fricción y la resistencia al desgaste de dos muestras de roca, a saber, mármol y piedra caliza, de forma controlada y monitoreada. Las propiedades mecánicas superiores del mármol contribuyen a su excepcional resistencia al desgaste. Esta propiedad dificulta la perforación o el corte en la industria del petróleo y el gas. Por el contrario, su vida útil se prolonga significativamente cuando se utiliza como material de construcción de alta calidad, como por ejemplo las baldosas.

Los tribómetros NANOVEA ofrecen capacidades de prueba de desgaste y fricción precisas y repetibles, cumpliendo con los estándares ISO y ASTM tanto en modo rotativo como lineal. Además, proporciona módulos opcionales para desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión, todos perfectamente integrados en un solo sistema. La incomparable gama de NANOVEA es una solución ideal para determinar la gama completa de propiedades tribológicas de recubrimientos, películas, sustratos y tribología de rocas delgadas o gruesas, blandas o duras.

Prueba de desgaste del revestimiento de PTFE

ENSAYO DE DESGASTE DEL REVESTIMIENTO DE PTFE

UTILIZANDO TRIBÓMETROS Y COMPROBADORES MECÁNICOS

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

El politetrafluoroetileno (PTFE), conocido comúnmente como teflón, es un polímero con un coeficiente de fricción (COF) excepcionalmente bajo y una excelente resistencia al desgaste, en función de las cargas aplicadas. El PTFE presenta una inercia química superior, un alto punto de fusión de 327°C (620°F) y mantiene una alta resistencia, tenacidad y autolubricación a bajas temperaturas. La excepcional resistencia al desgaste de los revestimientos de PTFE hace que sean muy solicitados en una amplia gama de aplicaciones industriales, como la automoción, la industria aeroespacial, la medicina y, sobre todo, los utensilios de cocina.

IMPORTANCIA DE LA EVALUACIÓN CUANTITATIVA DE LOS REVESTIMIENTOS DE PTFE

La combinación de un coeficiente de fricción (COF) superbajo, una excelente resistencia al desgaste y una excepcional inercia química a altas temperaturas hace del PTFE una opción ideal para los revestimientos antiadherentes de sartenes. Para mejorar aún más sus procesos mecánicos durante la I+D, así como para garantizar un control óptimo sobre la prevención de fallos y las medidas de seguridad en el proceso de control de calidad, es crucial disponer de una técnica fiable para evaluar cuantitativamente los procesos tribomecánicos de los revestimientos de PTFE. El control preciso de la fricción superficial, el desgaste y la adherencia de los revestimientos es esencial para garantizar su rendimiento previsto.

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

Tribómetro compacto de peso libre

Además, se utilizó el probador mecánico NANOVEA para realizar una prueba de adherencia por microarañazos con el fin de determinar la carga crítica del fallo de adherencia del revestimiento de PTFE.

NANOVEA PB1000

Comprobador mecánico de gran plataforma

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

PRUEBA DE DESGASTE

DESGASTE LINEAL ALTERNATIVO MEDIANTE TRIBÓMETRO

El comportamiento tribológico de la muestra de recubrimiento de PTFE, incluido el coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste, se evaluó utilizando el sistema NANOVEA. Tribómetro en modo alternativo lineal. Contra el revestimiento se utilizó una punta de bola de acero inoxidable 440 con un diámetro de 3 mm (Grado 100). El COF se controló continuamente durante la prueba de desgaste del revestimiento de PTFE.

La tasa de desgaste, K, se calculó usando la fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), donde V representa el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento, A es el área de la sección transversal de la pista de desgaste, y n es el número de carreras. Los perfiles de desgaste de la pista se evaluaron utilizando el NANOVEA Perfilómetro óptico, y la morfología de la pista de desgaste se examinó utilizando un microscopio óptico.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE DESGASTE

CARGA	30 N
DURACIÓN DE LA PRUEBA	5 minutos
TASA DE DESLIZAMIENTO	80 rpm
AMPLITUD DE VÍA	8 mm
REVOLUCIONES	300
DIÁMETRO DE LA BOLA	3 mm
MATERIAL DE LA BOLA	Acero inoxidable 440
LUBRICANTE	Ninguno
ATMOSFERA	Aire
TEMPERATURA	230C (RT)
HUMEDAD	43%

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

PRUEBA DE RASPADO

PRUEBA DE ADHERENCIA AL MICROARAÑAZO CON UN COMPROBADOR MECÁNICO

La medición de la adherencia al rayado de PTFE se realizó utilizando el NANOVEA Probador Mecánico con una aguja de diamante Rockwell C 1200 (radio de 200 μm) en el modo Micro Scratch Tester.

Para garantizar la reproducibilidad de los resultados, se realizaron tres pruebas en condiciones idénticas.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE RASCADO

TIPO DE CARGA	Progresiva
CARGA INICIAL	0,01 mN
CARGA FINAL	20 mN
TASA DE CARGA	40 mN/min
LONGITUD DEL RASPADO	3 mm
VELOCIDAD DE RASGADO, dx/dt	6,0 mm/min
GEOMETRÍA DEL PENETRADOR	120o Rockwell C
MATERIAL INDENTADO (punta)	Diamante
RADIO DE LA PUNTA DEL PENETRADOR	200 μm

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

DESGASTE LINEAL ALTERNATIVO MEDIANTE TRIBÓMETRO

El COF registrado in situ se muestra en la FIGURA 1. La muestra de prueba exhibió un COF de ~0,18 durante las primeras 130 revoluciones, debido a la baja adherencia del PTFE. Sin embargo, hubo un aumento repentino en el COF a ~1 una vez que el recubrimiento se abrió paso, revelando el sustrato debajo. Después de las pruebas lineales alternativas, el perfil de desgaste de la pista se midió usando el NANOVEA Perfilómetro óptico sin contacto, como se muestra en la FIGURA 2. A partir de los datos obtenidos, se calculó que la tasa de desgaste correspondiente era ~2,78 × 10-3 mm3/Nm, mientras que se determinó que la profundidad de la pista de desgaste era 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 de la ruptura

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 DISCUSIÓN

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 a alta presión, lo que dio lugar 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 Comprobador 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.

*Rayado*	*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.

CONCLUSIÓN

En este estudio, realizamos una simulación del proceso de desgaste de un revestimiento de PTFE para sartenes antiadherentes utilizando el tribómetro NANOVEA T50 en modo lineal alternativo. El recubrimiento de PTFE exhibió un bajo COF de ~0,18 el recubrimiento experimentó una ruptura alrededor de las 130 revoluciones. La evaluación cuantitativa de la adhesión del revestimiento de PTFE al sustrato metálico se realizó utilizando el comprobador mecánico NANOVEA, que determinó que la carga crítica del fallo de adhesión del revestimiento era de ~8,5 N en esta prueba.

Los tribómetros NANOVEA ofrecen capacidades de ensayo de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM. Ofrecen módulos opcionales para desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión, todo integrado en un único sistema. Esta versatilidad permite a los usuarios simular entornos de aplicación reales con mayor precisión y comprender mejor los mecanismos de desgaste y las propiedades tribológicas de distintos materiales.

Los comprobadores mecánicos NANOVEA cuentan con módulos Nano, Micro y Macro, cada uno de los cuales incluye modos de ensayo de indentación, rayado y desgaste conformes con las normas ISO y ASTM, proporcionando la gama más amplia y fácil de usar de capacidades de ensayo disponibles en un solo sistema.

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Cartografía de desgaste progresivo de pavimentos mediante tribómetro

Mapa de desgaste progresivo del suelo

Uso del tribómetro con perfilómetro integrado

Preparado por

FRANK LIU

INTRODUCCIÓN

Los materiales para pisos están diseñados para ser duraderos, pero a menudo sufren desgaste debido a las actividades cotidianas como el movimiento y el uso de muebles. Para garantizar su longevidad, la mayoría de los tipos de pisos tienen una capa protectora contra el desgaste que resiste los daños. Sin embargo, el espesor y la durabilidad de la capa de uso varían según el tipo de piso y el nivel de tránsito peatonal. Además, las diferentes capas dentro de la estructura del piso, como los recubrimientos UV, las capas decorativas y el vidriado, tienen diferentes índices de desgaste. Ahí es donde entra en juego el mapeo de desgaste progresivo. Usando el tribómetro NANOVEA T2000 con un Perfilómetro 3D sin contacto, se puede realizar un seguimiento y análisis precisos del rendimiento y la longevidad de los materiales para pisos. Al proporcionar información detallada sobre el comportamiento de desgaste de diversos materiales para pisos, los científicos y profesionales técnicos pueden tomar decisiones más informadas al seleccionar y diseñar nuevos sistemas de pisos.

IMPORTANCIA DE LA CARTOGRAFÍA DEL DESGASTE PROGRESIVO DE LOS PANELES DE SUELO

Los ensayos de suelos se han centrado tradicionalmente en la tasa de desgaste de una muestra para determinar su durabilidad frente al desgaste. Sin embargo, el mapeo progresivo del desgaste permite analizar la tasa de desgaste de la muestra a lo largo de la prueba, lo que proporciona información valiosa sobre su comportamiento frente al desgaste. Este análisis en profundidad permite establecer correlaciones entre los datos de fricción y la tasa de desgaste, lo que puede identificar las causas fundamentales del desgaste. Cabe señalar que las tasas de desgaste no son constantes a lo largo de las pruebas de desgaste. Por lo tanto, la observación de la progresión del desgaste proporciona una evaluación más precisa del desgaste de la muestra. Más allá de los métodos de ensayo tradicionales, la adopción de la cartografía de desgaste progresivo ha contribuido a importantes avances en el campo de los ensayos de suelos.

El tribómetro NANOVEA T2000 con un perfilómetro 3D sin contacto integrado es una solución innovadora para pruebas de desgaste y mediciones de pérdida de volumen. Su capacidad para moverse con precisión entre el pasador y el perfilómetro garantiza la confiabilidad de los resultados al eliminar cualquier desviación en el radio o la ubicación de la pista de desgaste. Pero eso no es todo: las capacidades avanzadas del perfilómetro 3D sin contacto permiten mediciones de superficie a alta velocidad, lo que reduce el tiempo de escaneo a apenas unos segundos. Con capacidad de aplicar cargas de hasta 2.000 N y alcanzar velocidades de hilado de hasta 5.000 rpm, la NANOVEA T2000 Tribómetro ofrece versatilidad y precisión en el proceso de evaluación. Está claro que este equipo desempeña un papel vital en el mapeo del desgaste progresivo.

FIGURA 1: Montaje de la muestra antes de la prueba de desgaste (izquierda) y perfilometría de la huella de desgaste tras la prueba de desgaste (derecha).

OBJETIVO DE MEDICIÓN

Se realizaron pruebas de mapeo de desgaste progresivo en dos tipos de materiales para suelos: piedra y madera. Cada muestra se sometió a un total de 7 ciclos de prueba, con duraciones de prueba crecientes de 2, 4, 8, 20, 40, 60 y 120 s, lo que permitió comparar el desgaste a lo largo del tiempo. Después de cada ciclo de prueba, se perfiló la pista de desgaste utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA 3D. A partir de los datos recogidos por el perfilómetro, se puede analizar el volumen del agujero y la tasa de desgaste utilizando las funciones integradas en el software NANOVEA Tribometer o nuestro software de análisis de superficies, Mountains.

NANOVEA

T2000

LAS MUESTRAS

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE CARTOGRAFÍA DE DESGASTE

CARGA	40 N
DURACIÓN DE LA PRUEBA	varía
VELOCIDAD	200 rpm
RADIUS	10 mm
DISTANCIA	varía
MATERIAL DE LA BOLA	Carburo de tungsteno
DIÁMETRO DE LA BOLA	10 mm

La duración de la prueba utilizada en los 7 ciclos fue 2, 4, 8, 20, 40, 60 y 120 segundosrespectivamente. Las distancias recorridas fueron 0,40, 0,81, 1,66, 4,16, 8,36, 12,55 y 25,11 metros.

RESULTADOS DE LA CARTOGRAFÍA DEL DESGASTE

SUELOS DE MADERA

*Ciclo de pruebas*	*COF máximo*	*Mín COF*	*Avg. COF*
1	0.335	0.124	0.275
2	0.337	0.207	0.295
3	0.380	0.229	0.329
4	0.393	0.265	0.354
5	0.352	0.205	0.314
6	0.345	0.199	0.312
7	0.315	0.211	0.293

ORIENTACIÓN RADIAL

*Ciclo de pruebas*	*Pérdida de volumen total (µm3*	Distancia total Recorrido (m)	Rango de Desgaste (mm/Nm) x10^-5	Índice de desgaste instantáneo (mm/Nm) x10^-5
1	296247687	0.40	1833.746	1833.746
2	355245227	1.22	1093.260	181.5637
3	596371326	2.88	898.242	363.1791
4	883747767	7.04	530.629	172.5496
5	1207179951	15.40	360.889	96.69074
6	1472745318	27.95	293.329	52.89311
7	1851319210	53.06	184.343	37.69599

FIGURA 2: Índice de desgaste frente a la distancia total recorrida (izquierda)
e índice de desgaste instantáneo frente al ciclo de prueba (derecha) para suelos de madera.

FIGURA 3: Gráfico COF y vista 3D de la huella de desgaste de la prueba #7 en suelo de madera.

FIGURA 4: Análisis transversal de la pista de desgaste de madera del ensayo #7

FIGURA 5: Análisis de volumen y área de la huella de desgaste en la muestra de madera Ensayo #7.

Para conocer todos los resultados, haga clic aquí.

RESULTADOS DE LA CARTOGRAFÍA DEL DESGASTE

SUELO DE PIEDRA

*Ciclo de pruebas*	*COF máximo*	*Mín COF*	*Avg. COF*
1	0.249	0.035	0.186
2	0.349	0.197	0.275
3	0.294	0.154	0.221
4	0.503	0.124	0.273
5	0.548	0.106	0.390
6	0.510	0.129	0.434
7	0.527	0.181	0.472

ORIENTACIÓN RADIAL

*Ciclo de pruebas*	*Pérdida de volumen total (µm3*	Distancia total Recorrido (m)	Rango de Desgaste (mm/Nm) x10^-5	Índice de desgaste instantáneo (mm/Nm) x10^-5
1	96278846	0.40	595.957	595.9573
2	804289731	1.22	2475.185	2178.889
3	1316147855	2.88	1982.355	770.9501
4	3136530215	7.04	1883.269	1093.013
5	10821732180	15.40	3235.180	2297.508
6	20174960343	27.95	4018.282	1862.899
7	42512063420	53.06	4233.081	2224.187

FIGURA 6: Índice de desgaste frente a la distancia total recorrida (izquierda)
e índice de desgaste instantáneo frente al ciclo de ensayo (derecha) para suelos de piedra.

FIGURA 7: Gráfico COF y vista 3D de la huella de desgaste de la prueba #7 sobre pavimento de piedra.

FIGURA 8: Análisis transversal de la huella de desgaste de piedra de la prueba #7.

FIGURA 9: Análisis de volumen y área de la huella de desgaste en la muestra de piedra de ensayo #7.

Para conocer todos los resultados, haga clic aquí.

DEBATE

El índice de desgaste instantáneo se calcula con la siguiente ecuación:

Donde V es el volumen de un agujero, N es la carga y X es la distancia total, esta ecuación describe la tasa de desgaste entre ciclos de prueba. La tasa de desgaste instantánea puede utilizarse para identificar mejor los cambios en la tasa de desgaste a lo largo de la prueba.

Ambas muestras tienen comportamientos de desgaste muy diferentes. Con el tiempo, el suelo de madera comienza con un índice de desgaste elevado, pero desciende rápidamente a un valor más pequeño y constante. En el caso del suelo de piedra, el índice de desgaste parece comenzar con un valor bajo y tiende a aumentar con el paso de los ciclos. El índice de desgaste instantáneo también muestra poca consistencia. La razón específica de esta diferencia no es segura, pero puede deberse a la estructura de las muestras. El suelo de piedra parece estar formado por partículas sueltas similares al grano, que se desgastarían de forma diferente en comparación con la estructura compacta de la madera. Sería necesario realizar más pruebas e investigaciones para determinar la causa de este comportamiento de desgaste.

Los datos del coeficiente de fricción (COF) parecen concordar con el comportamiento de desgaste observado. El gráfico del COF para el suelo de madera parece consistente a lo largo de los ciclos, complementando su tasa de desgaste constante. En el caso de los suelos de piedra, el COF medio aumenta a lo largo de los ciclos, de forma similar a como lo hace la tasa de desgaste. También hay cambios aparentes en la forma de los gráficos de fricción, lo que sugiere cambios en la forma en que la bola interactúa con la muestra de piedra. Esto es más evidente en los ciclos 2 y 4.

CONCLUSIÓN

El Tribómetro NANOVEA T2000 muestra su capacidad para realizar un mapeo de desgaste progresivo analizando la tasa de desgaste entre dos muestras de pavimento diferentes. Detener el ensayo de desgaste continuo y escanear la superficie con el perfilómetro sin contacto NANOVEA 3D proporciona información valiosa sobre el comportamiento de desgaste del material a lo largo del tiempo.

El Tribómetro NANOVEA T2000 con el perfilómetro 3D sin contacto integrado proporciona una amplia variedad de datos, incluyendo datos COF (Coeficiente de Fricción), mediciones de superficie, lecturas de profundidad, visualización de superficie, pérdida de volumen, tasa de desgaste y más. Este amplio conjunto de información permite a los usuarios obtener una comprensión más profunda de las interacciones entre el sistema y la muestra. Con su carga controlada, alta precisión, facilidad de uso, alta carga, amplio rango de velocidad y módulos ambientales adicionales, el tribómetro NANOVEA T2000 lleva la tribología al siguiente nivel.

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Dureza de los arañazos a alta temperatura mediante un tribómetro

DUREZA AL RAYADO A ALTA TEMPERATURA

UTILIZANDO UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE, PhD

INTRODUCCIÓN

La dureza mide la resistencia de los materiales a la deformación permanente o plástica. Desarrollado originalmente por el mineralogista alemán Friedrich Mohs en 1820, el ensayo de dureza al rayado determina la dureza de un material a los arañazos y a la abrasión debida a la fricción de un objeto afilado¹. La escala de Mohs es un índice comparativo más que una escala lineal, por lo que se desarrolló una medición de la dureza al rayado más precisa y cualitativa, como se describe en la norma ASTM G171-03². Mide la anchura media del rayado creado por un palpador de diamante y calcula el número de dureza del rayado (HSP).

IMPORTANCIA DE LA MEDICIÓN DE LA DUREZA AL RAYADO A ALTAS TEMPERATURAS

Los materiales se seleccionan en función de los requisitos de servicio. Para las aplicaciones que implican cambios de temperatura significativos y gradientes térmicos, es fundamental investigar las propiedades mecánicas de los materiales a altas temperaturas para ser plenamente conscientes de los límites mecánicos. Los materiales, especialmente los polímeros, suelen ablandarse a altas temperaturas. Muchos de los fallos mecánicos se deben a la deformación por fluencia y a la fatiga térmica que sólo tienen lugar a temperaturas elevadas. Por lo tanto, es necesario disponer de una técnica fiable para medir la dureza a altas temperaturas con el fin de garantizar una selección adecuada de los materiales para aplicaciones a alta temperatura.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, el tribómetro NANOVEA T50 mide la dureza al rayado de una muestra de teflón a diferentes temperaturas, desde temperatura ambiente hasta 300 °C. La capacidad de realizar mediciones de dureza al rayado a alta temperatura hace que NANOVEA Tribómetro un sistema versátil para evaluaciones tribológicas y mecánicas de materiales para aplicaciones de alta temperatura.

NANOVEA

T50

CONDICIONES DE PRUEBA

El tribómetro estándar de peso libre NANOVEA T50 se utilizó para realizar las pruebas de dureza al rayado en una muestra de teflón a temperaturas que van desde la temperatura ambiente (RT) hasta los 300°C. El teflón tiene un punto de fusión de 326,8°C. Se utilizó un palpador cónico de diamante con un ángulo de vértice de 120° y un radio de punta de 200 µm. La muestra de teflón se fijó en la platina giratoria de la muestra con una distancia de 10 mm al centro de la platina. La muestra se calentó en un horno y se probó a las temperaturas de RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C y 300°C.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA

de la medición de la dureza al rayado a alta temperatura

FUERZA NORMAL	2 N
VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO	1 mm/s
DISTANCIA DE DESLIZAMIENTO	8mm por temp.
ATMOSFERA	Aire
TEMPERATURA	RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la FIGURA 1 se muestran los perfiles de la pista de rayado de la muestra de teflón a diferentes temperaturas con el fin de comparar la dureza del rayado a diferentes temperaturas elevadas. La acumulación de material en los bordes de la pista de rayado se forma a medida que el palpador se desplaza con una carga constante de 2 N y penetra en la muestra de teflón, empujando y deformando el material de la pista de rayado hacia un lado.

Las huellas de arañazos se examinaron bajo el microscopio óptico como se muestra en la FIGURA 2. Los anchos de las pistas de rayado medidos y los números de dureza de rayado (HSP) calculados se resumen y comparan en la FIGURA 3. El ancho de la pista de rayado medido por el microscopio coincide con el medido mediante el NANOVEA Profiler: la muestra de teflón presenta un ancho de rayado mayor a temperaturas más altas. La anchura de la pista de rayado aumenta de 281 a 539 µm a medida que la temperatura se eleva de RT a 300oC, lo que resulta en una disminución de la HSP de 65 a 18 MPa.

La dureza al rayado a temperaturas elevadas puede medirse con alta precisión y repetibilidad utilizando el Tribómetro NANOVEA T50. Proporciona una solución alternativa a otras mediciones de dureza y convierte a los tribómetros NANOVEA en un sistema más completo para las evaluaciones tribo-mecánicas integrales a alta temperatura.

FIGURA 1: Perfiles de huellas de arañazos después de las pruebas de dureza de arañazos a diferentes temperaturas.

FIGURA 2: Huellas de arañazos bajo el microscopio tras las mediciones a diferentes temperaturas.

FIGURA 3: Evolución de la anchura de la pista de rayado y de la dureza del rayado en función de la temperatura.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos cómo el tribómetro NANOVEA mide la dureza al rayado a temperaturas elevadas de acuerdo con la norma ASTM G171-03. El ensayo de dureza al rayado con carga constante proporciona una solución alternativa sencilla para comparar la dureza de los materiales utilizando el tribómetro. La capacidad de realizar mediciones de dureza al rayado a temperaturas elevadas hace del Tribómetro NANOVEA una herramienta ideal para evaluar las propiedades tribo-mecánicas de los materiales a altas temperaturas.

El tribómetro NANOVEA también 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 tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. Hay disponible un perfilador 3D sin contacto opcional para obtener imágenes 3D de alta resolución de las huellas de desgaste, además de otras mediciones de superficie como la rugosidad.

1 Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009). "Pruebas de rayado de metales y polímeros: Experiments and numerics". Wear 266 (1-2): 76
2 ASTM G171-03 (2009), "Método de ensayo estándar para la dureza al rayado de los materiales utilizando un estilete de diamante"

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Evaluación de arañazos y desgaste de los revestimientos industriales

REVESTIMIENTO INDUSTRIAL

EVALUACIÓN DE ARAÑAZOS Y DESGASTE MEDIANTE UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, PhD & ANDREA HERRMANN

INTRODUCCIÓN

La pintura de uretano acrílico es un tipo de revestimiento protector de secado rápido muy utilizado en diversas aplicaciones industriales, como la pintura para suelos, la pintura para automóviles y otras. Cuando se utiliza como pintura para suelos, puede servir para zonas con mucho tráfico de personas y ruedas de goma, como pasarelas, bordillos y aparcamientos.

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

Tradicionalmente, los ensayos de abrasión Taber se llevaban a cabo para evaluar la resistencia al desgaste de la pintura de uretano acrílico para suelos según la norma ASTM D4060. Sin embargo, como se menciona en la norma, "Para algunos materiales, los ensayos de abrasión que utilizan el abrasador Taber pueden estar sujetos a variaciones debido a los cambios en las características abrasivas de la rueda durante el ensayo".1 Esto puede dar lugar a una mala reproducibilidad de los resultados del ensayo y crear dificultades a la hora de comparar los valores comunicados por diferentes laboratorios. Además, en los ensayos de abrasión Taber, la resistencia a la abrasión se calcula como la pérdida de peso en un número determinado de ciclos de abrasión. Sin embargo, las pinturas de uretano acrílico para suelos tienen un espesor de película seca recomendado de 37,5-50 μm2.

El agresivo proceso de abrasión de Taber Abraser puede desgastar rápidamente el revestimiento de uretano acrílico y crear pérdidas de masa en el sustrato, lo que provoca errores sustanciales en el cálculo de la pérdida de peso de la pintura. La implantación de partículas abrasivas en la pintura durante el ensayo de abrasión también contribuye a los errores. Por lo tanto, una medición cuantificable y fiable bien controlada es crucial para garantizar una evaluación reproducible del desgaste de la pintura. Además, la Prueba de raspado permite a los usuarios detectar fallos prematuros de adhesivo/adhesivo en aplicaciones reales.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, mostramos que NANOVEA Los Tribómetros y Probadores Mecánicos Son ideales para la evaluación y control de calidad de recubrimientos industriales.

El proceso de desgaste de las pinturas de uretano acrílico para suelos con diferentes capas de acabado se simula de forma controlada y monitorizada utilizando el Tribómetro NANOVEA. El ensayo de microrrayado se utiliza para medir la carga necesaria para provocar un fallo cohesivo o adhesivo en la pintura.

NANOVEA T100

El Tribómetro Neumático Compacto

NANOVEA PB1000

El comprobador mecánico de plataforma grande

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

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

PRUEBA DE DESGASTE

Se aplicó el tribómetro NANOVEA para evaluar el comportamiento tribológico, por ejemplo, coeficiente de fricción, COF y resistencia al desgaste. Se aplicó una punta de bola SS440 (6 mm de diámetro, Grado 100) contra las pinturas probadas. 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 de la sección transversal de la pista de desgaste, y n es el número de revoluciones. NANOVEA evaluó la rugosidad de la superficie y los perfiles de desgaste de la pista. Perfilómetro óptico, y la morfología de la pista de desgaste se examinó utilizando 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 RASPADO

El probador mecánico NANOVEA equipado con un palpador de diamante Rockwell C (200 μm de radio) se utilizó para realizar ensayos de rayado de carga progresiva en las muestras de pintura utilizando el modo de micro rayado. Se utilizaron dos cargas finales: 5 N de carga final para investigar la deslaminación de la pintura de la imprimación, y 35 N para investigar la deslaminación 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.

Se generaron automáticamente imágenes panorámicas de toda la longitud de los arañazos y el software del sistema correlacionó sus ubicaciones críticas de fallo con las cargas aplicadas. Esta función del software facilita a los usuarios realizar el análisis de las pistas de rayado en cualquier momento, en lugar de tener que determinar la carga crítica bajo el microscopio inmediatamente después de los ensayos de rayado.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE RASCADO

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

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DESGASTE

Se realizaron cuatro ensayos de desgaste pin-on-disk a diferentes números de revoluciones (100, 150, 300 y 800 ciclos) en cada muestra para controlar la evolución del desgaste. La morfología de la superficie de las muestras se midió con un perfilador sin contacto NANOVEA 3D 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. En la FIGURA 4 se presenta la evolución de las huellas de desgaste después de 100, 150, 300 y 800 ciclos, y en la FIGURA 3 se resume la tasa media de desgaste de las distintas 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 crea una cantidad considerable de restos de pintura, como se indica en la FIGURA 4: la capa superior de la muestra A ha empezado a eliminarse en las primeras 100 revoluciones. Como se muestra en la FIGURA 3, la Muestra A presenta la mayor tasa de desgaste de ~5 μm2/N en los primeros 300 ciclos, que disminuye ligeramente a ~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, la muestra B y la muestra D muestran mejores propiedades tribológicas. La muestra B mantiene un COF bajo 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 inferior después de 800 ciclos de desgaste. La tasa de desgaste media más baja, de sólo ~0,77 μm2/N, se mide para la muestra B a los 800 ciclos. La capa superior de la Muestra D comienza a deslaminar después de 375 ciclos, como se refleja en el aumento abrupto del COF en la FIGURA 2. La tasa de desgaste media de la muestra D es de ~1,1 μm2/N a 800 ciclos.

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

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

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

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

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

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DESGASTE

La FIGURA 5 muestra el gráfico de la fuerza normal, la fuerza de fricción y la profundidad real en función de la longitud del arañazo para la muestra A como ejemplo. Se puede instalar un módulo opcional de emisión acústica para obtener más información. A medida que la carga normal aumenta linealmente, la punta de indentación se hunde gradualmente en la muestra ensayada, como se refleja en el aumento progresivo de la profundidad real. La variación de las pendientes de las curvas de fuerza de fricción y profundidad real puede utilizarse como una de las implicaciones de que empiezan a producirse fallos en el revestimiento.

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

La FIGURA 6 y la FIGURA 7 muestran los arañazos completos de las cuatro muestras de pintura ensayadas 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. Los ensayos de rayado con una carga final de 5 N (FIGURA 6) evalúan el fallo cohesivo/adhesivo de la pintura superior, mientras que los de 35 N (FIGURA 7) evalúan la deslaminación de la imprimación. Las flechas en las micrografías indican el punto en el que la pintura superior o la imprimación empiezan a desprenderse completamente de la imprimación o del sustrato. La carga en este punto, llamada Carga Crítica, Lc, se utiliza para comparar las propiedades cohesivas o adhesivas de la pintura como se resume en la Tabla 1.

Es evidente que la pintura de la muestra D tiene la mejor adhesión interfacial - mostrando los valores más altos de Lc 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 los arañazos, mostramos que la optimización de la fórmula de la pintura es fundamental para los comportamientos mecánicos, o más específicamente, la resistencia al rayado y la propiedad de adhesión de las pinturas acrílicas para suelos.

Tabla 1: Resumen de las cargas críticas.

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

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

CONCLUSIÓN

En comparación con las mediciones de abrasión Taber convencionales, el NANOVEA Mechanical Tester y el Tribometer son herramientas superiores para la evaluación y el control de calidad de los revestimientos comerciales para suelos y automóviles. El NANOVEA Mechanical Tester en modo de rascado puede detectar problemas de adhesión/cohesión en un sistema de revestimiento. 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 exhaustivos análisis tribológicos y mecánicos de los recubrimientos acrílicos de base acuosa para suelos probados en este estudio, demostramos que la muestra B posee el menor índice de COF y de desgaste y 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 valoración nos permite evaluar y seleccionar el mejor candidato en función de las necesidades en diferentes entornos de aplicación.

Los módulos Nano y Micro del Comprobador Mecánico NANOVEA incluyen todos los modos de indentación, rayado y desgaste que cumplen con las normas ISO y ASTM, proporcionando la más amplia gama de pruebas disponibles para la evaluación de la pintura 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 tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La gama inigualable de NANOVEA es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades mecánicas/tribológicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluyendo la dureza, el módulo de Young, la tenacidad a la fractura, la adhesión, la resistencia al desgaste y muchas otras. Hay disponibles perfiladores ópticos sin contacto NANOVEA opcionales para obtener imágenes en 3D de alta resolución de arañazos y huellas de desgaste, además de otras mediciones de superficies como la rugosidad.

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Desgaste y fricción de las correas de polímero con un tribómetro

CINTURONES DE POLÍMERO

DESGASTE Y FRICCIÓN CON UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

Las transmisiones por correa transmiten la potencia y siguen el movimiento relativo entre dos o más ejes giratorios. Al ser una solución sencilla y económica, con un mantenimiento mínimo, las transmisiones por correa se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, como sierras de cinta, aserraderos, trilladoras, sopladores de silo y transportadores. Las transmisiones por correa pueden proteger la maquinaria de las sobrecargas, así como amortiguar y aislar las vibraciones.

IMPORTANCIA DE LA EVALUACIÓN DEL DESGASTE PARA LAS TRANSMISIONES POR CORREA

La fricción y el desgaste son inevitables en las correas de una máquina accionada por correa. Una fricción suficiente garantiza una transmisión eficaz de la potencia sin deslizamiento, pero una fricción excesiva puede desgastar rápidamente la correa. Durante el funcionamiento de la transmisión por correa se producen diferentes tipos de desgaste, como la fatiga, la abrasión y la fricción. Para prolongar la vida útil de la correa y reducir el coste y el tiempo de reparación y sustitución de la misma, es conveniente realizar una evaluación fiable del desgaste de las correas para mejorar su vida útil, la eficacia de la producción y el rendimiento de la aplicación. La medición precisa del coeficiente de fricción y del índice de desgaste de la correa facilita la I+D y el control de calidad de la producción de correas.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

NANOVEA

T2000

PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA

El coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de dos correas con diferente rugosidad y textura superficial fueron evaluados por el NANOVEA Carga alta Tribómetro utilizando el módulo de desgaste alternativo lineal. Como contramaterial se utilizó una bola de acero 440 (10 mm de diámetro). La rugosidad de la superficie y la huella de desgaste se examinaron utilizando un sistema integrado. Perfilómetro 3D sin contacto. La tasa de desgaste, Kse evaluó mediante la fórmula K=Vl(Fxs), 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 lisa de acero 440, pero se puede aplicar cualquier material sólido con diferentes formas y acabados de superficie utilizando accesorios personalizados para simular la situación de aplicación real.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La banda texturizada y la banda lisa tienen una rugosidad superficial Ra de 33,5 y 8,7 um, respectivamente, según los perfiles superficiales analizados tomados con un NANOVEA Perfilador óptico 3D sin contacto. El COF y la tasa de desgaste de las dos correas probadas se midieron a 10 N y 100 N, respectivamente, para comparar el comportamiento de desgaste de las correas a diferentes cargas.

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. Es 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 ambas pruebas realizadas con cargas de 10 N y 100 N. En comparación, la correa lisa probada bajo la carga de 10 N exhibe 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 probada bajo 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.

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

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

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

El perfil de la huella de desgaste en 3D permite determinar de forma directa y precisa el volumen de la huella de desgaste calculado por el software de análisis avanzado, como se muestra en la TABLA 1. En una prueba de desgaste de 220 revoluciones, la correa lisa presenta una huella de desgaste mucho mayor y más profunda, con un volumen de 75,7 mm3, en comparación con un volumen de desgaste de 14,0 mm3 para la correa texturizada tras una prueba de desgaste de 600 revoluciones. La fricción significativamente mayor de la correa lisa contra la bola de acero da lugar a un índice de desgaste 15 veces mayor en comparación con la correa texturizada.

Una diferencia tan drástica de COF entre la correa texturizada y la lisa está posiblemente relacionada con el tamaño del área de contacto entre la correa y la bola de acero, lo que también conduce a su diferente rendimiento de desgaste. La FIGURA 3 muestra las huellas de desgaste de las dos correas bajo el microscopio óptico. El examen de las huellas de desgaste coincide con la observación de la evolución del COF: La correa texturizada, que mantiene un COF bajo de ~0,5, no muestra ningún signo de desgaste después de la prueba de desgaste bajo una carga de 10 N. La correa lisa muestra una pequeña huella de desgaste a 10 N. Las pruebas de desgaste realizadas a 100 N crean huellas de desgaste sustancialmente mayores tanto en la correa texturizada como en la lisa, y la tasa de desgaste se calculará utilizando perfiles 3D, como se comentará en el siguiente párrafo.

FIGURA 3: Huellas de desgaste bajo el microscopio óptico.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos la capacidad del Tribómetro NANOVEA T2000 para evaluar el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste de las correas de una manera bien controlada y cuantitativa. La textura de la superficie desempeña un papel fundamental en la resistencia a la fricción y al desgaste de las correas durante su funcionamiento. La correa texturizada presenta un coeficiente de fricción estable de ~0,5 y posee una larga vida útil, lo que se traduce en una reducción del tiempo y los costes de reparación o sustitución de las herramientas. En comparación, la excesiva fricción de la correa lisa contra la bola de acero desgasta rápidamente la correa. Además, la carga de la correa es un factor vital para su vida útil. La sobrecarga crea una fricción muy elevada, lo que provoca un desgaste acelerado de la correa.

El tribómetro NANOVEA T2000 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. NANOVEA's 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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Rendimiento de la abrasión del papel de lija mediante un tribómetro

RENDIMIENTO DE LA ABRASIÓN DEL PAPEL DE LIJA

UTILIZANDO UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

El papel de lija está formado por partículas abrasivas pegadas a una cara de un papel o tela. Se pueden utilizar diversos materiales abrasivos para las partículas, como granate, carburo de silicio, óxido de aluminio y diamante. El papel de lija se aplica ampliamente en diversos sectores industriales para crear acabados superficiales específicos en madera, metal y paneles de yeso. Suelen trabajar en contacto con alta presión aplicada con herramientas manuales o eléctricas.

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

La eficacia del papel de lija suele estar determinada por su rendimiento de abrasión en diferentes condiciones. El tamaño de grano, es decir, el tamaño de las partículas abrasivas incrustadas en la lija, determina la velocidad de desgaste y el tamaño de los arañazos del material lijado. Las lijas de mayor número de grano tienen partículas más pequeñas, por lo que la velocidad de lijado es menor y el acabado de la superficie es más fino. Las lijas con el mismo número de grano pero fabricadas con materiales diferentes pueden tener comportamientos distintos en condiciones secas o húmedas. Se necesitan evaluaciones tribológicas fiables para garantizar que las lijas fabricadas tienen el comportamiento abrasivo deseado. Estas evaluaciones permiten a los usuarios comparar cuantitativamente los comportamientos de desgaste de diferentes tipos de lijas de forma controlada y supervisada, con el fin de seleccionar el mejor candidato para la aplicación prevista.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

NANOVEA

T2000

PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA

El tribómetro NANOVEA T100 evaluó el coeficiente de fricción (COF) y el rendimiento de abrasión de dos tipos de papeles de lija. Como contramaterial se utilizó una bola de acero inoxidable 440. Las cicatrices del desgaste de la pelota se examinaron después de cada prueba de desgaste utilizando NANOVEA. Perfilador óptico 3D sin contacto para garantizar mediciones precisas de la pérdida de volumen.

Tenga en cuenta que se eligió una bola de acero inoxidable 440 como contra material para crear un estudio comparativo, pero cualquier material sólido podría ser sustituido para simular una condición de aplicación diferente.

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS Y DISCUSIÓN

La FIGURA 1 muestra una comparación del COF del papel de lija 1 y 2 en condiciones ambientales secas y húmedas. El papel de lija 1, en condiciones secas, muestra un COF de 0,4 al principio de la prueba, que disminuye progresivamente y se estabiliza en 0,3. En condiciones húmedas, esta muestra presenta un COF medio inferior, de 0,27. En cambio, los resultados del COF de la muestra 2 muestran un COF en seco de 0,27 y un COF en húmedo de ~ 0,37.

Obsérvese que la oscilación en los datos de todos los gráficos de COF fue causada por las vibraciones generadas por el movimiento de deslizamiento de la bola contra las superficies rugosas del papel de lija.

FIGURA 1: Evolución del COF durante las pruebas de desgaste.

La FIGURA 2 resume los resultados del análisis de las cicatrices de desgaste. Las cicatrices de desgaste se midieron utilizando un microscopio óptico y un perfilador óptico sin contacto NANOVEA 3D. La FIGURA 3 y la FIGURA 4 comparan las cicatrices de desgaste de las bolas SS440 desgastadas después de las pruebas de desgaste en el papel de lija 1 y 2 (condiciones húmedas y secas). Como se muestra en la FIGURA 4, el Perfilador Óptico NANOVEA captura con precisión la topografía de la superficie de las cuatro bolas y sus respectivas huellas de desgaste, que luego fueron procesadas con el software de Análisis Avanzado NANOVEA Mountains para calcular la pérdida de volumen y la tasa de desgaste. En la imagen del microscopio y del perfil de la bola se puede observar que la bola utilizada para la prueba del papel de lija 1 (en seco) presentaba una cicatriz de desgaste aplanada más grande en comparación con las demás, con una pérdida de volumen de 0,313 mm³. En cambio, la pérdida de volumen del papel de lija 1 (húmedo) fue de 0,131 mm³. Para el papel de lija 2 (seco) la pérdida de volumen fue de 0,163 mm³ y para el papel de lija 2 (húmedo) la pérdida de volumen aumentó a 0,237 mm³.

Además, es interesante observar que el COF desempeñó un papel importante en el rendimiento de abrasión de las lijas. El papel de lija 1 mostró un mayor COF en seco, lo que dio lugar a un mayor índice de abrasión de la bola SS440 utilizada en la prueba. En comparación, el mayor COF del papel de lija 2 en condiciones húmedas dio lugar a un mayor índice de abrasión. Las huellas de desgaste de las lijas tras las mediciones se muestran en la FIGURA 5.

Tanto el papel de lija 1 como el 2 afirman funcionar en ambientes secos y húmedos. Sin embargo, exhibieron un rendimiento de abrasión significativamente diferente en condiciones secas y húmedas. NANOVEA tribómetros Proporcionar capacidades de evaluación de desgaste confiables, cuantificables y bien controladas que garanticen evaluaciones de desgaste reproducibles. Además, la capacidad de medición de COF in situ permite a los usuarios correlacionar diferentes etapas de un proceso de desgaste con la evolución de COF, lo cual es fundamental para mejorar la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste y las características tribológicas del papel de lija.

FIGURA 2: Volumen de la cicatriz de desgaste de las bolas y promedio del COF en diferentes condiciones.

FIGURA 3: Las cicatrices de las bolas después de las pruebas.

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

FIGURA 5: Huellas de desgaste en las lijas bajo diferentes condiciones.

CONCLUSIÓN

En este estudio se evaluó el rendimiento de abrasión de dos tipos de lijas del mismo número de grano en condiciones secas y húmedas. Las condiciones de servicio de la lija desempeñan un papel fundamental en la eficacia del rendimiento de trabajo. La lija 1 tuvo un comportamiento de abrasión significativamente mejor en condiciones secas, mientras que la lija 2 se comportó mejor en condiciones húmedas. La fricción durante el proceso de lijado es un factor importante a tener en cuenta a la hora de evaluar el rendimiento de la abrasión. El perfilador óptico NANOVEA mide con precisión la morfología 3D de cualquier superficie, como las cicatrices de desgaste en una bola, asegurando una evaluación fiable sobre el rendimiento de la abrasión del papel de lija en este estudio. El Tribómetro NANOVEA mide el coeficiente de fricción in situ durante una prueba de desgaste, proporcionando una visión de las diferentes etapas de un proceso de desgaste. También ofrece pruebas de desgaste y fricción repetibles utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste 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 proporciona una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de los materiales superiores resistentes al desgaste bajo altas cargas.

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Pruebas de desgaste del pistón

Uso de un tribómetro

Preparado por

FRANK LIU

INTRODUCCIÓN

Las pérdidas por fricción representan aproximadamente 10% de la energía total del combustible para un motor diesel[1]. 40-55% de la pérdida por fricción proviene del sistema de cilindros de potencia. La pérdida de energía por fricción puede disminuirse con una mejor comprensión de las interacciones tribológicas que se producen en el sistema de cilindros de potencia.

Una parte importante de las pérdidas por fricción en el sistema de cilindros de potencia proviene del contacto entre la falda del pistón y la camisa del cilindro. La interacción entre la falda del pistón, el lubricante y las interfaces del cilindro es bastante compleja debido a los constantes cambios de fuerza, temperatura y velocidad en un motor de la vida real. La optimización de cada factor es clave para obtener un rendimiento óptimo del motor. Este estudio se centrará en reproducir los mecanismos que causan las fuerzas de fricción y el desgaste en las interfaces falda del pistón-lubricante-carcasa del cilindro (P-L-C).

Esquema del sistema de cilindros de potencia y de las interfaces entre la falda del pistón y la camisa del cilindro.

[1] Bai, Dongfang. Modelización de la lubricación de la falda del pistón en motores de combustión interna. Diss. MIT, 2012

IMPORTANCIA DE LA COMPROBACIÓN DE LOS PISTONES CON TRIBÓMETROS

El aceite de motor es un lubricante bien diseñado para su aplicación. Además del aceite base, se añaden aditivos como detergentes, dispersantes, mejoradores de la viscosidad (VI), agentes antidesgaste/antifricción e inhibidores de la corrosión para mejorar su rendimiento. Estos aditivos afectan al comportamiento del aceite en diferentes condiciones de funcionamiento. El comportamiento del aceite afecta a las interfaces P-L-C y determina si se produce un desgaste significativo por contacto metal-metal o si se produce una lubricación hidrodinámica (muy poco desgaste).

Es difícil entender las interfaces P-L-C sin aislar la zona de las variables externas. Es más práctico simular el evento con condiciones representativas de su aplicación en la vida real. La página web NANOVEA Tribómetro es ideal para esto. Equipado con múltiples sensores de fuerza, un sensor de profundidad, un módulo de lubricante gota a gota y una etapa alternativa lineal, el NANOVEA El T2000 es capaz de imitar de cerca los eventos que ocurren dentro de un bloque de motor y obtener datos valiosos para entender mejor las interfaces P-L-C.

Módulo de líquidos en el tribómetro NANOVEA T2000

El módulo gota a gota es crucial para este estudio. Dado que los pistones pueden moverse a una velocidad muy rápida (por encima de las 3.000 rpm), es difícil crear una fina película de lubricante sumergiendo la muestra. Para remediar este problema, el módulo gota a gota es capaz de aplicar una cantidad constante de lubricante en 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.

NANOVEA T2000

Tribómetro de alta carga

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este informe se estudiarán las interfaces falda del pistón-lubricante-guarnición del cilindro. Las interfaces se reproducirán mediante la realización de una prueba de desgaste alternativo lineal 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 el comportamiento de las interfaces en aplicaciones reales.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA

para las pruebas tribológicas de los pistones

CARGA ............................ 100 N

DURACIÓN DE LA PRUEBA ............................ 30 minutos

VELOCIDAD ............................ 2000 rpm

AMPLITUD ............................ 10 mm

DISTANCIA TOTAL ............................ 1200 m

REVESTIMIENTO DE LA FALDA ............................ Moly-grafito

MATERIAL DE LOS PINES ............................ Aleación de aluminio 5052

DIÁMETRO DEL PIN ............................ 10 mm

LUBRICANTE ............................ Aceite de motor (10W-30)

APROX. CAUDAL ............................ 60 mL/min

TEMPERATURA ............................ Temperatura ambiente y 90°C

RESULTADOS DE LA PRUEBA DE RECIPROCIDAD LINEAL

En este experimento, se utilizó el 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 [2].

En las condiciones de prueba, se produjo un desgaste significativo
observado en la falda del pistón a temperatura ambiente
en comparación con los 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 un 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 desgastó mucho menos que el otro. Esto se debe probablemente a la ubicación de la salida de aceite. El espesor de la película de lubricante era más grueso en un lado que en el otro, lo que provocó un desgaste desigual.

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

El COF de las pruebas tribológicas lineales alternativas puede dividirse en un paso alto y un 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 inversa, 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 pudo mojar adecuadamente 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.

Tabla 1: Resultados de la prueba de desgaste lubricado de los pistones.

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 de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor RT.

FIGURA 5: Perfilometría 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 del aceite de motor a 90°C

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

FIGURA 8: Perfilometría de la cicatriz de desgaste de la prueba de desgaste del aceite de motor a 90°C.

CONCLUSIÓN

Se han realizado pruebas de desgaste lineal lubricado en un pistón para simular lo que ocurre en un
motor operativo en la vida real. La interfaz entre la falda del pistón, el lubricante y la camisa del cilindro es crucial para el funcionamiento de un motor. El espesor del lubricante en la interfaz es responsable de la pérdida de energía debida a la fricción o al desgaste entre la falda del pistón y la camisa. Para optimizar el motor, el espesor de la película debe ser lo más fino posible sin que la falda del pistón y la camisa se toquen. El reto, sin embargo, es cómo los cambios de temperatura, velocidad y fuerza afectarán a las interfaces P-L-C.

Con su amplia gama de carga (hasta 2000 N) y velocidad (hasta 15000 rpm), el tribómetro NANOVEA T2000 es capaz de simular diferentes condiciones posibles en un motor. Los posibles estudios futuros sobre este tema incluyen cómo se comportarán las interfaces P-L-C bajo diferentes cargas constantes, cargas oscilantes, temperatura del lubricante, velocidad y método de aplicación del lubricante. Estos parámetros pueden ajustarse fácilmente con el tribómetro NANOVEA T2000 para obtener una comprensión completa de los mecanismos de las interfaces falda del pistón-lubricante-guarnición del cilindro.

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Pruebas de desgaste por humedad del revestimiento de vidrio mediante tribómetro

Más información

HUMEDAD DE LA CAPA DE VIDRIO

PRUEBAS DE DESGASTE MEDIANTE TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, Doctorado

INTRODUCCIÓN

El revestimiento de vidrio autolimpiable crea una superficie de vidrio fácil de limpiar que evita la acumulación de suciedad y manchas. Su característica de autolimpieza reduce significativamente la frecuencia, el tiempo, la energía y los costes de limpieza, lo que lo convierte en una opción atractiva para una variedad de aplicaciones residenciales y comerciales, como la fachada de vidrio, los espejos, los cristales de la ducha, las ventanas y los parabrisas.

IMPORTANCIA DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE DEL REVESTIMIENTO DE VIDRIO AUTOLIMPIABLE

Una de las principales aplicaciones del revestimiento autolimpiante es la superficie exterior de la fachada de vidrio de los rascacielos. La superficie del vidrio suele ser atacada por partículas de alta velocidad transportadas por fuertes vientos. Las condiciones meteorológicas también desempeñan un papel importante en la vida útil del revestimiento de vidrio. Puede ser muy difícil y costoso tratar la superficie del vidrio y aplicar el nuevo revestimiento cuando el antiguo falla. Por lo tanto, la resistencia al desgaste del revestimiento de vidrio bajo
Las diferentes condiciones climáticas son críticas.

Para simular las condiciones ambientales realistas del revestimiento autolimpiable en diferentes condiciones meteorológicas, es necesario realizar una evaluación repetible del desgaste en una humedad controlada y monitorizada. Permite a los usuarios comparar adecuadamente la resistencia al desgaste de los revestimientos autolimpiantes expuestos a diferentes humedades y seleccionar el mejor candidato para la aplicación prevista.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

NANOVEA

T100

PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA

Los portaobjetos de vidrio sodocálcico se recubrieron con revestimientos de vidrio autolimpiables con dos recetas de tratamiento diferentes. Estos dos recubrimientos se identifican como Recubrimiento 1 y Recubrimiento 2. También se ha analizado un portaobjetos de vidrio desnudo sin recubrimiento para comparar.

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

CARGA MÁXIMA 40 mN

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las pruebas de desgaste pin-on-disk en diferentes condiciones de humedad se llevaron a cabo en el vidrio recubierto y no recubierto
muestras. El COF se registró in situ durante las pruebas de desgaste como se muestra en FIGURA 1 y la media del COF se resume en FIGURA 2. FIGURA 4 compara las pistas de desgaste después de las pruebas de desgaste.

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

La baja fricción del revestimiento de vidrio autolimpiable se debe a su baja energía superficial. Crea una estática muy alta
ángulo de contacto con el agua y un bajo ángulo de caída. Esto lleva a la formación de pequeñas gotas de agua en la superficie del revestimiento en el 90% RH como se muestra en el microscopio en FIGURA 3. También se produce una disminución del COF medio de ~0,23 a ~0,15 para el revestimiento 2 a medida que el valor de la HR aumenta de 30% a 90%.

FIGURA 1: Coeficiente de fricción durante los ensayos pin-on-disk en diferentes humedades relativas.

FIGURA 2: Promedio del COF durante las pruebas pin-on-disk en diferentes humedades relativas.

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

FIGURA 4 compara las huellas de desgaste en la superficie del vidrio tras las pruebas de desgaste en diferentes humedades. El revestimiento 1 muestra signos de desgaste leve tras las pruebas de desgaste en la HR de 30% y 60%. Posee una gran huella de desgaste después de la prueba en la HR de 90%, de acuerdo con el aumento significativo del COF durante la prueba de desgaste. El recubrimiento 2 no muestra casi ningún signo de desgaste después de las pruebas de desgaste tanto en ambiente seco como húmedo, y también presenta un COF bajo y constante durante las pruebas de desgaste en diferentes humedades. La combinación de buenas propiedades tribológicas y baja energía superficial hace que el revestimiento 2 sea un buen candidato para aplicaciones de revestimiento de vidrio autolimpiable en entornos difíciles. En comparación, el vidrio sin recubrimiento muestra huellas de desgaste más grandes y un COF más alto en diferentes humedades, lo que demuestra la necesidad de la técnica de recubrimiento autolimpiante.

FIGURA 4: Huellas de desgaste después de las pruebas pin-on-disk en diferentes humedades relativas (aumento de 200x).

CONCLUSIÓN

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

NANOVEA Los tribómetros ofrecen pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. Se dispone de un perfilador 3D sin contacto opcional para
imágenes en 3D de resolución de la pista de desgaste, además de otras mediciones de la superficie, como la rugosidad.

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Medición del desgaste in situ a alta temperatura

MEDICIÓN DEL DESGASTE IN SITU A ALTA TEMPERATURA

UTILIZANDO EL TRIBÓMETRO

Preparado por

Duanjie Li, Doctor en Filosofía

INTRODUCCIÓN

El transformador diferencial variable lineal (LVDT) es un tipo de transformador eléctrico robusto utilizado para medir el desplazamiento lineal. Se ha utilizado ampliamente en una variedad de aplicaciones industriales, incluyendo turbinas de energía, hidráulica, automatización, aviones, satélites, reactores nucleares y muchos otros.

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

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio queremos mostrar la capacidad del Tribómetro NANOVEA T50 para monitorizar in situ la evolución del proceso de desgaste de los materiales a temperaturas elevadas.

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

NANOVEA

T50

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

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

Para comparar, las pruebas de desgaste se llevaron a cabo cuando la muestra se enfrió de 800°C a 400°C y luego a temperatura ambiente. Se aplicó una punta de bola de AI2O3 (6 mm de diámetro, grado 100) contra las muestras probadas. El COF, la profundidad de desgaste y la temperatura se controlaron in situ.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA

de la medición pin-on-disk

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

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El COF y la profundidad de la huella de desgaste registrados in situ se muestran en la FIGURA 1 y la FIGURA 2, respectivamente. En la FIGURA 1, "-I" indica la prueba realizada cuando se aumentó la temperatura de RT a una temperatura elevada. "-D" representa la disminución de la temperatura desde una temperatura elevada de 800°C.

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

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

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

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

La tasa media de desgaste y la profundidad de la huella de desgaste de las placas cerámicas de silicato de alúmina a diferentes temperaturas se midieron utilizando NANOVEA Optical Profiler como se resume en FIGURA 3. La profundidad de la huella de desgaste coincide con la registrada mediante LVDT. La placa cerámica de silicato de alúmina muestra una tasa de desgaste sustancialmente mayor de ~0,5 mm3/Nm a 800°C, en comparación con las tasas de desgaste inferiores a 0,2mm3/N a temperaturas inferiores a 400°C. La placa cerámica de silicato de alúmina no presenta propiedades mecánicas/tribológicas significativamente mejoradas después del proceso de calentamiento corto, poseyendo una tasa de desgaste comparable antes y después del tratamiento térmico.

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

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

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

CONCLUSIÓN

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

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

Los tribómetros NANOVEA ofrecen ensayos de desgaste y fricción precisos y repetibles utilizando modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La gama inigualable 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.

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

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Productos

Perfilómetros

PS50 (Compacto Avanzado)

JR25 (Portátil Compacto)

ST400 (Estándar Modular)

AFMPRO (Fuerza Atómica)

ST500 ( Área Grande Modular)

JR100 (Portátil de Alta Velocidad)

Control de calidad en línea (rugosidad, textura y acabado)

Probadores Mecánicos

CB500 (Compacto Avanzado)

PB1000 (Plataforma Grande)

Sistemas al Vacío (Personalizado)

Los Tribómetros

T50 (Estándar Modular)

T100 (Neumático Compacto)

T2000 (Neumático de Alta Carga)

CR-8R (Espesor del Revestimiento de la formación de cráteres de bola)

Sistemas al Vacío (Personalizado)

Soluciones de Prueba

Perfilometría

Rugosidad y acabado

Geometría y forma

Planicidad y alabeo

Volumen y área

Altura y grosor del escalón

Textura y grano

Pruebas Mecánicas

Indentación | Dureza y elasticidad

Indentación | Tensión vs. Deformación

Indentación | Fluencia y relajación

Indentación | Pérdida y almacenamiento

Indentación | Resistencia a la Fractura

Indentación | Límite elástico y fatiga

Alta Temperatura

Humedad

Rayado | Fallo de adhesivo

Rayado | Fallo de Cohesión

Rayado | Dureza al Rayado

Rayado | Desgaste Multi-Paso

Fricción | Coeficiente de Fricción

Baja Temperatura

Líquido

Vacío

Pruebas de Tribología

Lineal

Rotacional

Bloque en el Anillo

Anillo sobre Anillo

Prueba del Rayado

Alta Temperatura

Corrosión

Líquido

Baja Temperatura

Humedad y gases inertes

Vacío

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Análisis de perfilometría sin contacto

Pruebas de indentación y rayado

Pruebas de fricción y desgaste

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