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Categoría: Tribología rotacional

 

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.

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 CARGAProgresiva
CARGA INICIAL0,01 mN
CARGA FINAL5 N / 35 N
TASA DE CARGA10 / 70 N/min
LONGITUD DEL RASPADO3 mm
VELOCIDAD DE RASGADO, dx/dt6,0 mm/min
GEOMETRÍA DEL PENETRADORCono de 120º
MATERIAL INDENTADO (punta)Diamante
RADIO DE LA PUNTA DEL PENETRADOR200 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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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 por humedad del revestimiento de vidrio mediante tribómetro

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

MEDICIÓN DE DESGASTE IN SITU Tribómetro aeroespacial

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

Muestra del tribómetro LVDT

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.

COF durante las pruebas de pin-on-desk a diferentes temperaturas

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

Profundidad de la huella de desgaste de la placa cerámica de silicato de alúmina 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.

 
Índice de desgaste y profundidad de la huella de desgaste de la muestra a diferentes temperaturas 1

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.

MEDICIÓN DEL DESGASTE IN SITU

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Rodamientos de bolas: estudio de resistencia al desgaste por fuerzas elevadas



INTRODUCCIÓN

Un rodamiento de bolas utiliza bolas para reducir la fricción rotacional y soportar cargas radiales y axiales. Las bolas que ruedan entre las pistas del rodamiento producen un coeficiente de fricción (COF) mucho menor en comparación con dos superficies planas que se deslizan una contra otra. Los rodamientos de bolas suelen estar expuestos a elevados niveles de tensión de contacto, desgaste y condiciones ambientales extremas, como las altas temperaturas. Por lo tanto, la resistencia al desgaste de las bolas bajo altas cargas y condiciones ambientales extremas es fundamental para prolongar la vida útil del rodamiento de bolas y reducir el coste y el tiempo de las reparaciones y sustituciones.
Los rodamientos de bolas se encuentran en casi todas las aplicaciones que implican piezas móviles. Se utilizan habitualmente en las industrias del transporte, como la aeroespacial y la automovilística, así como en la industria del juguete, que fabrica artículos como fidget spinner y monopatines.

EVALUACIÓN DEL DESGASTE DE LOS RODAMIENTOS A ALTAS CARGAS

Los rodamientos de bolas se pueden fabricar a partir de una extensa lista de materiales. Los materiales más utilizados varían entre metales como el acero inoxidable y el acero al cromo o cerámicas como el carburo de tungsteno (WC) y el nitruro de silicio (Si3n4). Para garantizar que los rodamientos de bolas fabricados posean la resistencia al desgaste requerida ideal para las condiciones de la aplicación dada, son necesarias evaluaciones tribológicas confiables bajo cargas elevadas. Las pruebas tribológicas ayudan a cuantificar y contrastar los comportamientos de desgaste de diferentes rodamientos de bolas de forma controlada y monitoreada para seleccionar el mejor candidato para la aplicación específica.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, mostramos un Nanovea Tribómetro como la herramienta ideal para comparar la resistencia al desgaste de diferentes rodamientos de bolas bajo cargas elevadas.

Figura 1: Montaje de la prueba de rodamiento.

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

El coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de los rodamientos de bolas fabricados con diferentes materiales se evaluaron con un tribómetro Nanovea. Se utilizó papel de lija de grano P100 como contramaterial. Las cicatrices de desgaste de los rodamientos se examinaron con un Nanovea Perfilador 3D sin contacto una vez concluidas las pruebas de desgaste. Los parámetros de la prueba se resumen en la Tabla 1. La tasa de desgaste, Kse evaluó mediante la fórmula K=V/(F×s), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal y s es la distancia de deslizamiento. Las cicatrices de desgaste de las bolas se evaluaron mediante un Nanovea Perfilador 3D sin contacto para garantizar una medición precisa del volumen de desgaste.
La función de posicionamiento radial motorizado automatizado permite que el tribómetro disminuya el radio de la pista de desgaste durante la duración de una prueba. Este modo de prueba se denomina prueba en espiral y garantiza que el rodamiento de bolas se deslice siempre sobre una nueva superficie del papel de lija (figura 2). Mejora significativamente la repetibilidad de la prueba de resistencia al desgaste de la bola. El avanzado codificador de 20 bits para el control interno de la velocidad y el codificador de 16 bits para el control externo de la posición proporcionan información precisa sobre la velocidad y la posición en tiempo real, lo que permite un ajuste continuo de la velocidad de rotación para lograr una velocidad de deslizamiento lineal constante en el contacto.
Tenga en cuenta que el papel de lija de grano P100 se utilizó para simplificar el comportamiento de desgaste entre varios materiales de bolas en este estudio y puede sustituirse por cualquier otra superficie de material. Se puede sustituir por cualquier material sólido para simular el comportamiento de una amplia gama de acoplamientos de materiales en condiciones reales de aplicación, como en líquido o lubricante.

Figura 2: Ilustración de las pasadas en espiral del rodamiento de bolas sobre el papel de lija.
Tabla 1: Parámetros de ensayo de las mediciones de desgaste.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La tasa de desgaste es un factor vital para determinar la vida útil del rodamiento de bolas, mientras que un COF bajo es deseable para mejorar el rendimiento y la eficiencia del rodamiento. La figura 3 compara la evolución del COF de diferentes rodamientos de bolas contra el papel de lija durante las pruebas. La bola de acero al Cr muestra un COF mayor de ~0,4 durante la prueba de desgaste, en comparación con ~0,32 y ~0,28 para los rodamientos de bolas SS440 y Al2O3. Por otro lado, la bola de WC muestra un COF constante de ~0,2 durante toda la prueba de desgaste. Se puede observar una variación del COF a lo largo de cada prueba, que se atribuye a las vibraciones causadas por el movimiento de deslizamiento de las bolas contra la superficie rugosa del papel de lija.

 

Figura 3: Evolución del COF durante las pruebas de desgaste.

En la Figura 4 y la Figura 5 se comparan las cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas después de haberlas medido con un microscopio óptico y con el perfilador óptico sin contacto Nanovea, respectivamente, y en la Tabla 2 se resumen los resultados del análisis de la pista de desgaste. El perfilador Nanovea 3D determina con precisión el volumen de desgaste de los rodamientos de bolas, lo que permite calcular y comparar las tasas de desgaste de los diferentes rodamientos de bolas. Se puede observar que las bolas de acero al Cr y SS440 presentan cicatrices de desgaste aplanadas mucho más grandes en comparación con las bolas de cerámica, es decir, Al2O3 y WC después de las pruebas de desgaste. Las bolas de acero al Cr y SS440 tienen índices de desgaste comparables de 3,7×10-3 y 3,2×10-3 m3/N m, respectivamente. En comparación, la bola de Al2O3 muestra una mayor resistencia al desgaste, con un índice de desgaste de 7,2×10-4 m3/N m. La bola de WC apenas presenta rasguños menores en la zona de la pista de desgaste poco profunda, lo que resulta en un índice de desgaste significativamente reducido de 3,3×10-6 mm3/N m.

Figura 4: Cicatrices de desgaste de los rodamientos después de las pruebas.

Figura 5: Morfología 3D de las cicatrices de desgaste en los rodamientos.

Tabla 2: Análisis de las cicatrices de desgaste de los rodamientos.

La figura 6 muestra imágenes al microscopio de las huellas de desgaste producidas en el papel de lija por los cuatro rodamientos de bolas. Es evidente que la bola de WC produjo la pista de desgaste más severa (eliminando casi todas las partículas de arena en su camino) y posee la mejor resistencia al desgaste. En comparación, las bolas de acero al Cr y SS440 dejaron una gran cantidad de restos metálicos en la huella de desgaste del papel de lija.
Estas observaciones demuestran aún más la importancia de las ventajas de una prueba en espiral. Garantiza que el rodamiento de bolas se deslice siempre sobre una nueva superficie del papel de lija, lo que mejora significativamente la repetibilidad de una prueba de resistencia al desgaste.

Figura 6: Huellas de desgaste en el papel de lija contra diferentes rodamientos de bolas.

CONCLUSIÓN

La resistencia al desgaste de los rodamientos de bolas bajo alta presión desempeña un papel fundamental en su rendimiento de servicio. Los rodamientos cerámicos poseen una resistencia al desgaste significativamente mayor en condiciones de alta presión y reducen el tiempo y el coste debido a la reparación o sustitución de los rodamientos. En este estudio, el rodamiento de bolas de WC presenta una resistencia al desgaste sustancialmente mayor en comparación con los rodamientos de acero, lo que lo convierte en un candidato ideal para aplicaciones de rodamientos en las que se produce un fuerte desgaste.
El tribómetro Nanovea está diseñado con capacidades de alto par para cargas de hasta 2000 N y un motor preciso y controlado para velocidades de rotación de 0,01 a 15.000 rpm. 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 actúa como una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de materiales superiores resistentes al desgaste bajo altas cargas.
Un perfilador sin contacto Nanovea 3D proporciona mediciones precisas del volumen de desgaste y actúa como una herramienta para analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste, proporcionando conocimientos adicionales en la comprensión fundamental de los mecanismos de desgaste.

Preparado por
Duanjie Li, PhD, Jonathan Thomas y Pierre Leroux

Tribología de carga dinámica

Tribología de carga dinámica

Introducción

El desgaste tiene lugar en prácticamente todos los sectores industriales e impone unos costes de ~0,75% del PIB1. La investigación tribológica es vital para mejorar la eficacia de la producción y el rendimiento de las aplicaciones, así como para conservar el material, la energía y el medio ambiente. La vibración y la oscilación son inevitables en una amplia gama de aplicaciones tribológicas. Una vibración externa excesiva acelera el proceso de desgaste y reduce el rendimiento de servicio, lo que provoca fallos catastróficos en las piezas mecánicas.

Los tribómetros convencionales de carga muerta aplican cargas normales mediante pesos de masa. Esta técnica de carga no sólo limita las opciones de carga a una carga constante, sino que también crea intensas vibraciones incontroladas a altas cargas y velocidades, lo que conduce a evaluaciones limitadas e inconsistentes del comportamiento de desgaste. Una evaluación fiable del efecto de la oscilación controlada en el comportamiento del desgaste de los materiales es deseable para la I+D y el control de calidad en diferentes aplicaciones industriales.

La innovadora alta carga de Nanovea tribómetro Tiene una capacidad de carga máxima de 2000 N con un sistema de control de carga dinámico. El avanzado sistema neumático de carga de aire comprimido permite a los usuarios evaluar el comportamiento tribológico de un material bajo cargas normales elevadas con la ventaja de amortiguar las vibraciones no deseadas creadas durante el proceso de desgaste. Por lo tanto, la carga se mide directamente sin necesidad de los resortes amortiguadores utilizados en diseños más antiguos. Un módulo de carga oscilante de electroimán paralelo aplica una oscilación bien controlada de amplitud deseada de hasta 20 N y frecuencia de hasta 150 Hz.

La fricción se mide con alta precisión directamente desde la fuerza lateral aplicada al soporte superior. El desplazamiento se controla in situ, lo que permite conocer la evolución del comportamiento de desgaste de las muestras de ensayo. La prueba de desgaste bajo carga de oscilación controlada también se puede realizar en entornos de corrosión, alta temperatura, humedad y lubricación para simular las condiciones de trabajo reales para las aplicaciones tribológicas. Una alta velocidad integrada perfilómetro sin contacto Mide automáticamente la morfología de la pista de desgaste y el volumen de desgaste en unos segundos.

Objetivo de medición

En este estudio, mostramos la capacidad del Tribómetro de Carga Dinámica Nanovea T2000 en el estudio del comportamiento tribológico de diferentes muestras de recubrimiento y metal bajo condiciones de carga de oscilación controlada.

 

Procedimiento de prueba

El comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de un revestimiento resistente al desgaste de 300 µm de grosor se evaluó y comparó mediante el tribómetro Nanovea T2000 con un tribómetro de carga muerta convencional utilizando una configuración de pasador sobre disco siguiendo la norma ASTM G992.

Se evaluaron muestras recubiertas de Cu y TiN separadas frente a una bola de Al₂0₃ de 6 mm bajo oscilación controlada mediante el modo de tribología de carga dinámica del tribómetro Nanovea T2000.

Los parámetros de la prueba se resumen en el cuadro 1.

El perfilómetro 3D integrado, equipado con un sensor de líneas, escanea automáticamente la pista de desgaste después de las pruebas, proporcionando la medición más precisa del volumen de desgaste en segundos.

Resultados y discusión

 

Sistema de carga neumática vs. Sistema de carga muerta

 

El comportamiento tribológico de un recubrimiento resistente al desgaste utilizando el tribómetro Nanovea T2000 se compara con un tribómetro convencional de carga muerta (DL). La evolución del COF del recubrimiento se muestra en la Fig. 2. Observamos que el recubrimiento presenta un valor de COF comparable de ~0,6 durante la prueba de desgaste. Sin embargo, los 20 perfiles de sección transversal en diferentes lugares de la pista de desgaste en la Fig. 3 indican que el recubrimiento experimentó un desgaste mucho más severo bajo el sistema de carga muerta.

El proceso de desgaste del sistema de carga muerta a alta carga y velocidad generó intensas vibraciones. La presión masiva concentrada en la cara de contacto, combinada con una alta velocidad de deslizamiento, crea una vibración sustancial del peso y de la estructura que conduce a un desgaste acelerado. El tribómetro de carga muerta convencional aplica la carga mediante pesos de masa. Este método es fiable con cargas de contacto más bajas y en condiciones de desgaste leve; sin embargo, en condiciones de desgaste agresivo con cargas y velocidades más altas, la importante vibración hace que los pesos reboten repetidamente, lo que da lugar a una pista de desgaste irregular que provoca una evaluación tribológica poco fiable. La tasa de desgaste calculada es de 8,0±2,4 x 10-4 mm3/N m, mostrando una alta tasa de desgaste y una gran desviación estándar.

El tribómetro Nanovea T2000 está diseñado con un sistema de carga de control dinámico para amortiguar las oscilaciones. Aplica la carga normal con aire comprimido, lo que minimiza las vibraciones no deseadas creadas durante el proceso de desgaste. Además, el control activo de la carga en bucle cerrado garantiza la aplicación de una carga constante durante toda la prueba de desgaste y el palpador sigue el cambio de profundidad de la pista de desgaste. Se mide un perfil de pista de desgaste significativamente más consistente, como se muestra en la Fig. 3a, lo que da como resultado una baja tasa de desgaste de 3,4±0,5 x 10-4 mm3/N m.

El análisis de la pista de desgaste que se muestra en la Fig. 4 confirma que la prueba de desgaste realizada por el sistema de carga neumática de aire comprimido del tribómetro Nanovea T2000 crea una pista de desgaste más suave y consistente en comparación con el tribómetro convencional de carga muerta. Además, el tribómetro Nanovea T2000 mide el desplazamiento del palpador durante el proceso de desgaste, lo que permite conocer mejor el progreso del comportamiento del desgaste in situ.

 

 

Oscilación controlada sobre el desgaste de la muestra de Cu

El módulo del electroimán de carga oscilante en paralelo del tribómetro Nanovea T2000 permite a los usuarios investigar el efecto de las oscilaciones de amplitud y frecuencia controladas en el comportamiento de desgaste de los materiales. El COF de las muestras de Cu se registra in situ como se muestra en la Fig. 6. La muestra de Cu muestra un COF constante de ~0,3 durante la primera medición de 330 revoluciones, lo que significa la formación de un contacto estable en la interfaz y una pista de desgaste relativamente suave. A medida que la prueba de desgaste continúa, la variación del COF indica un cambio en el mecanismo de desgaste. En comparación, las pruebas de desgaste bajo una oscilación de amplitud controlada de 5 N a 50 N muestran un comportamiento de desgaste diferente: el COF aumenta rápidamente al principio del proceso de desgaste, y muestra una variación significativa a lo largo de la prueba de desgaste. Este comportamiento del COF indica que la oscilación impuesta en la carga normal desempeña un papel en el estado de deslizamiento inestable en el contacto.

La Fig. 7 compara la morfología de la huella de desgaste medida por el perfilómetro óptico integrado sin contacto. Puede observarse que la muestra de Cu sometida a una amplitud de oscilación controlada de 5 N presenta una huella de desgaste mucho mayor, con un volumen de 1,35 x 109 µm3, en comparación con los 5,03 x 108 µm3 sin oscilación impuesta. La oscilación controlada acelera significativamente la tasa de desgaste en un factor de ~2,7, mostrando el efecto crítico de la oscilación en el comportamiento del desgaste.

 

Oscilación controlada en el desgaste del revestimiento de TiN

El COF y las huellas de desgaste de la muestra de revestimiento de TiN se muestran en la Fig. 8. El recubrimiento de TiN presenta comportamientos de desgaste significativamente diferentes bajo oscilación, como indica la evolución del COF durante las pruebas. El recubrimiento de TiN muestra un COF constante de ~0,3 tras el periodo de rodaje al principio de la prueba de desgaste, debido al contacto de deslizamiento estable en la interfaz entre el recubrimiento de TiN y la bola de Al₂O₃. Sin embargo, cuando el recubrimiento de TiN empieza a fallar, la bola de Al₂O₃ penetra a través del recubrimiento y se desliza contra el sustrato de acero fresco que hay debajo. Al mismo tiempo, se genera una cantidad importante de restos de revestimiento de TiN duro en la pista de desgaste, lo que convierte un desgaste por deslizamiento estable de dos cuerpos en un desgaste por abrasión de tres cuerpos. Este cambio de las características de la pareja de materiales conduce a un aumento de las variaciones en la evolución del COF. La oscilación impuesta de 5 N y 10 N acelera el fallo del revestimiento de TiN de ~400 revoluciones a menos de 100 revoluciones. Las mayores huellas de desgaste en las muestras de revestimiento de TiN después de las pruebas de desgaste bajo la oscilación controlada concuerdan con dicho cambio en el COF.

Conclusión:

El avanzado sistema de carga neumática del tribómetro Nanovea T2000 posee una ventaja intrínseca como amortiguador de vibraciones naturalmente rápido en comparación con los sistemas tradicionales de carga muerta. Esta ventaja tecnológica de los sistemas neumáticos es cierta en comparación con los sistemas de carga controlada que utilizan una combinación de servomotores y muelles para aplicar la carga. Esta tecnología garantiza una evaluación del desgaste fiable y mejor controlada con cargas elevadas, como se demuestra en este estudio. Además, el sistema de carga activa en bucle cerrado puede cambiar la carga normal a un valor deseado durante las pruebas de desgaste para simular las aplicaciones reales que se ven en los sistemas de freno.

En lugar de tener la influencia de las condiciones de vibración no controladas durante las pruebas, hemos demostrado que el tribómetro de carga dinámica Nanovea T2000 permite a los usuarios evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de los materiales bajo diferentes condiciones de oscilación controlada. Las vibraciones desempeñan un papel importante en el comportamiento del desgaste de las muestras de revestimiento metálico y cerámico.

El módulo de carga oscilante de electroimanes paralelos proporciona oscilaciones controladas con precisión a amplitudes y frecuencias establecidas, lo que permite a los usuarios simular el proceso de desgaste en condiciones reales, cuando las vibraciones ambientales suelen ser un factor importante. En presencia de las oscilaciones impuestas durante el desgaste, tanto las muestras de revestimiento de Cu como las de TiN muestran un aumento sustancial de la tasa de desgaste. La evolución del coeficiente de fricción y el desplazamiento del palpador medidos in situ son indicadores importantes del rendimiento del material durante las aplicaciones tribológicas. El perfilómetro 3D sin contacto integrado ofrece una herramienta para medir con precisión el volumen de desgaste y analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste en segundos, proporcionando más información sobre la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste.

El T2000 está equipado con un motor autoajustable de alta calidad y alto par con una velocidad interna de 20 bits y un codificador de posición externo de 16 bits. Esto permite que el tribómetro proporcione una gama inigualable de velocidades de rotación, desde 0,01 hasta 5000 rpm, que pueden cambiar en saltos escalonados o a ritmos continuos. A diferencia de los sistemas que utilizan un sensor de par situado en la parte inferior, el tribómetro Nanovea utiliza una célula de carga de alta precisión situada en la parte superior para medir con precisión y por separado las fuerzas de fricción.

Los tribómetros Nanovea ofrecen pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con las normas ISO y ASTM (incluyendo pruebas de 4 bolas, arandela de empuje y bloque sobre anillo), con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La gama inigualable de Nanovea T2000 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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Efecto de la humedad en la tribología del revestimiento de DLC

Importancia de la evaluación del desgaste del DLC en la humedad

Los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) poseen propiedades tribológicas mejoradas, concretamente una excelente resistencia al desgaste y un coeficiente de fricción (COF) muy bajo. Los recubrimientos DLC imparten características de diamante cuando se depositan sobre diferentes materiales. Las propiedades tribomecánicas favorables hacen que los recubrimientos DLC sean preferibles en diversas aplicaciones industriales, como piezas aeroespaciales, hojas de afeitar, herramientas de corte de metales, cojinetes, motores de motocicletas e implantes médicos.

Los recubrimientos DLC exhiben un COF muy bajo (por debajo de 0,1) frente a bolas de acero en condiciones secas y de alto vacío.12. Sin embargo, los revestimientos de DLC son sensibles a los cambios de las condiciones ambientales, en particular a la humedad relativa (RH)3. Los entornos con alta humedad y concentración de oxígeno pueden provocar un aumento significativo del COF4. La evaluación confiable del desgaste en humedad controlada simula condiciones ambientales realistas de los recubrimientos DLC para aplicaciones tribológicas. Los usuarios seleccionan los mejores recubrimientos DLC para aplicaciones específicas con una comparación adecuada
de los comportamientos de desgaste del DLC expuestos a diferentes humedades.



Objetivo de medición

Este estudio muestra la Nanovea Tribómetro equipado con un controlador de humedad es la herramienta ideal para investigar el comportamiento de desgaste de los recubrimientos DLC con diversas humedades relativas.

 

 



Procedimiento de prueba

La resistencia a la fricción y al desgaste de los recubrimientos DLC se evaluó mediante el tribómetro Nanovea. Los parámetros de prueba se resumen en la Tabla 1. Un controlador de humedad conectado a la cámara tribo controló con precisión la humedad relativa (RH) con una precisión de ±1%. Después de las pruebas, se examinaron las huellas de desgaste en los recubrimientos de DLC y las cicatrices de desgaste en las bolas de SiN mediante un microscopio óptico.

Nota: Se puede aplicar cualquier material de bola sólida para simular el rendimiento de acoplamientos de diferentes materiales en condiciones ambientales como lubricantes o altas temperaturas.







Resultados y discusión

Los recubrimientos de DLC son excelentes para las aplicaciones tribológicas debido a su baja fricción y a su mayor resistencia al desgaste. La fricción del recubrimiento de DLC muestra un comportamiento dependiente de la humedad que se muestra en la Figura 2. El recubrimiento de DLC muestra un COF muy bajo de ~0,05 durante toda la prueba de desgaste en condiciones relativamente secas (10% RH). El recubrimiento de DLC muestra un COF constante de ~0,1 durante la prueba a medida que la HR aumenta hasta 30%. La fase inicial de rodaje del COF se observa en las primeras 2000 revoluciones cuando la HR se eleva por encima de 50%. El revestimiento de DLC muestra un COF máximo de ~0,20, ~0,26 y ~0,33 en RH de 50, 70 y 90%, respectivamente. Tras el periodo de rodaje, el COF del revestimiento de DLC se mantiene constante en ~0,11, 0,13 y 0,20 en RH de 50, 70 y 90%, respectivamente.

 



En la figura 3 se comparan las cicatrices de desgaste de las bolas de SiN y en la figura 4 se comparan las huellas de desgaste del recubrimiento de DLC después de las pruebas de desgaste. El diámetro de la cicatriz de desgaste era menor cuando el recubrimiento de DLC se exponía a un entorno con poca humedad. La capa de DLC de transferencia se acumula en la superficie de la bola de SiN durante el proceso de deslizamiento repetitivo en la superficie de contacto. En esta etapa, el recubrimiento de DLC se desliza contra su propia capa de transferencia que actúa como un lubricante eficaz para facilitar el movimiento relativo y frenar la pérdida de masa adicional causada por la deformación por cizallamiento. Se observa una película de transferencia en la cicatriz de desgaste de la bola de SiN en entornos de baja HR (por ejemplo, 10% y 30%), lo que da lugar a un proceso de desgaste desacelerado en la bola. Este proceso de desgaste se refleja en la morfología de la pista de desgaste del recubrimiento de DLC, como se muestra en la figura 4. El recubrimiento de DLC muestra una pista de desgaste más pequeña en ambientes secos, debido a la formación de una película de transferencia de DLC estable en la interfaz de contacto que reduce significativamente la fricción y la tasa de desgaste.


 


Conclusión:




La humedad juega un papel vital en el rendimiento tribológico de los recubrimientos DLC. El recubrimiento DLC posee una resistencia al desgaste significativamente mejorada y una baja fricción superior en condiciones secas debido a la formación de una capa de grafito estable transferida a la contraparte deslizante (una bola de SiN en este estudio). El recubrimiento DLC se desliza contra su propia capa de transferencia, que actúa como un lubricante eficaz para facilitar el movimiento relativo y frenar una mayor pérdida de masa causada por la deformación por cizallamiento. No se observa una película en la bola de SiN al aumentar la humedad relativa, lo que lleva a una mayor tasa de desgaste en la bola de SiN y el recubrimiento de DLC.

El tribómetro Nanovea ofrece pruebas repetibles de desgaste y fricción utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con ISO y ASTM, con módulos de humedad opcionales disponibles en un sistema preintegrado. Permite a los usuarios simular el entorno de trabajo con diferente humedad, proporcionando a los usuarios una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente el comportamiento tribológico de los materiales en diferentes condiciones de trabajo.



Más información sobre el tribómetro Nanovea y el servicio de laboratorio

1 C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100-101 (1998) 180.

2 K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.

3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 437.

4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31


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Evaluación de la fricción a velocidades extremadamente bajas

 

Importancia de la evaluación de la fricción a bajas velocidades

La fricción es la fuerza que resiste el movimiento relativo de las superficies sólidas que se deslizan una contra otra. Cuando se produce el movimiento relativo de estas dos superficies en contacto, la fricción en la interfaz convierte la energía cinética en calor. Este proceso también puede provocar el desgaste del material y, por tanto, la degradación del rendimiento de las piezas en uso.
Con una gran relación de estiramiento, alta resiliencia, así como grandes propiedades de impermeabilidad y resistencia al desgaste, el caucho se aplica ampliamente en una variedad de aplicaciones y productos en los que la fricción desempeña un papel importante, como los neumáticos de los automóviles, las escobillas del limpiaparabrisas. las suelas de los zapatos y muchos otros. Dependiendo de la naturaleza y los requisitos de estas aplicaciones, se desea una fricción alta o baja contra diferentes materiales. En consecuencia, resulta fundamental una medición controlada y fiable de la fricción del caucho contra diversas superficies.



Objetivo de medición

El coeficiente de fricción (COF) del caucho contra diferentes materiales se mide de forma controlada y monitorizada mediante el Nanovea Tribómetro. En este estudio, nos gustaría mostrar la capacidad del Nanovea Tribometer para medir el COF de diferentes materiales a velocidades extremadamente bajas.




Resultados y discusión

El coeficiente de fricción (COF) de las bolas de caucho (6 mm de diámetro, RubberMill) sobre tres materiales (acero inoxidable SS 316, Cu 110 y acrílico opcional) se evaluó mediante el tribómetro Nanovea. Las muestras metálicas probadas se pulieron mecánicamente hasta conseguir un acabado superficial similar al de un espejo antes de la medición. La ligera deformación de la bola de goma bajo la carga normal aplicada creó un área de contacto, que también ayuda a reducir el impacto de las asperezas o la falta de homogeneidad del acabado de la superficie de la muestra en las mediciones del COF. Los parámetros de la prueba se resumen en la Tabla 1.


 

El COF de una pelota de goma contra diferentes materiales a cuatro velocidades distintas se muestra en la Figura 2, y en la figura 3 se resumen y comparan los COF medios calculados automáticamente por el software. Resulta interesante que las muestras metálicas (SS 316 y Cu 110) muestran un aumento significativo de los COF a medida que la velocidad de rotación aumenta desde un valor muy bajo de 0,01 rpm hasta 5 rpm -el valor del COF de la pareja caucho/SS 316 aumenta de 0,29 a 0,8, y de 0,65 a 1,1 para la pareja caucho/Cu 110. Este hallazgo coincide con los resultados comunicados por varios laboratorios. Como propone Grosch4 La fricción del caucho viene determinada principalmente por dos mecanismos: (1) la adhesión entre el caucho y el otro material, y (2) las pérdidas de energía debidas a la deformación del caucho causada por las asperezas de la superficie. Schallamach5 observaron ondas de desprendimiento del caucho del contramaterial a través de la interfaz entre las esferas de caucho blando y una superficie dura. La fuerza que ejerce el caucho para desprenderse de la superficie del sustrato y la velocidad de las ondas de desprendimiento pueden explicar la diferente fricción a diferentes velocidades durante la prueba.

En comparación, la pareja de material de caucho/acrílico presenta un alto COF a diferentes velocidades de rotación. El valor del COF aumenta ligeramente de ~ 1,02 a ~ 1,09 a medida que la velocidad de rotación aumenta de 0,01 rpm a 5 rpm. Este elevado COF se atribuye posiblemente a una mayor unión química local en la cara de contacto formada durante las pruebas.



 
 

 

 




Conclusión:



En este estudio, mostramos que a velocidades extremadamente bajas, el caucho muestra un comportamiento de fricción peculiar: su fricción contra una superficie dura aumenta con el incremento de la velocidad del movimiento relativo. El caucho muestra una fricción diferente cuando se desliza sobre diferentes materiales. El Tribómetro Nanovea puede evaluar las propiedades de fricción de los materiales de forma controlada y monitorizada a diferentes velocidades, lo que permite a los usuarios mejorar la comprensión fundamental del mecanismo de fricción de los materiales y seleccionar la mejor pareja de materiales para las aplicaciones de ingeniería tribológica previstas.

El tribómetro Nanovea ofrece 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. Es capaz de controlar la etapa rotativa a velocidades extremadamente bajas, de hasta 0,01 rpm, y supervisar la evolución de la fricción in situ. 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.

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Tribología de los polímeros

Introducción

Los polímeros se han utilizado ampliamente en una gran variedad de aplicaciones y se han convertido en una parte indispensable de la vida cotidiana. Los polímeros naturales, como el ámbar, la seda y el caucho natural, han desempeñado un papel esencial en la historia de la humanidad. El proceso de fabricación de los polímeros sintéticos puede optimizarse para conseguir propiedades físicas únicas como la tenacidad, la viscoelasticidad, la autolubricación y muchas otras.

Importancia del desgaste y la fricción de los polímeros

Los polímeros se utilizan habitualmente en aplicaciones tribológicas, como neumáticos, rodamientos y cintas transportadoras.
Se producen diferentes mecanismos de desgaste en función de las propiedades mecánicas del polímero, las condiciones de contacto y las propiedades de los residuos o de la película de transferencia que se forma durante el proceso de desgaste. Para garantizar que los polímeros poseen una resistencia al desgaste suficiente en las condiciones de servicio, es necesario realizar una evaluación tribológica fiable y cuantificable. La evaluación tribológica nos permite comparar cuantitativamente los comportamientos de desgaste de diferentes polímeros de forma controlada y monitorizada para seleccionar el material candidato para la aplicación objetivo.

El tribómetro Nanovea ofrece pruebas repetibles de desgaste y fricción mediante modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste y lubricación a alta temperatura disponibles en un sistema preintegrado. Esta gama inigualable permite a los usuarios simular los diferentes entornos de trabajo de los polímeros, incluyendo la tensión concentrada, el desgaste y la alta temperatura, etc.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, demostramos que Nanovea Tribómetro Es una herramienta ideal para comparar la fricción y la resistencia al desgaste de diferentes polímeros de una manera cuantitativa y bien controlada.

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

El coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de diferentes polímeros comunes fueron evaluados mediante el tribómetro Nanovea. Como material contador se utilizó una bola de Al2O3 (pasador, muestra estática). Las pistas de desgaste de los polímeros (muestras dinámicas giratorias) se midieron utilizando un perfilómetro 3D sin contacto y microscopio óptico una vez concluidas las pruebas. Cabe señalar que, como opción, se puede utilizar un sensor endoscópico sin contacto para medir la profundidad a la que penetra el pasador en la muestra dinámica durante una prueba de desgaste. Los parámetros de prueba se resumen en la Tabla 1. La tasa de desgaste, K, se evaluó utilizando la fórmula K=Vl(Fxs), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal y s es la distancia de deslizamiento.

Hay que tener en cuenta que en este estudio se utilizaron bolas de Al2O3 como contramaterial. Se puede sustituir por cualquier material sólido para simular mejor el comportamiento de dos muestras en condiciones reales de aplicación.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La tasa de desgaste es un factor vital para determinar la vida útil de los materiales, mientras que la fricción desempeña un papel crítico durante las aplicaciones tribológicas. La figura 2 compara la evolución del COF de diferentes polímeros frente a la bola de Al2O3 durante las pruebas de desgaste. El COF funciona como un indicador de cuándo se producen los fallos y el proceso de desgaste entra en una nueva etapa. Entre los polímeros ensayados, el HDPE mantiene el COF constante más bajo, de ~0,15, durante toda la prueba de desgaste. El COF suave implica que se forma un tribo-contacto estable.

En la Figura 3 y la Figura 4 se comparan las huellas de desgaste de las muestras de polímero después de la prueba medida por el microscopio óptico. El perfilómetro 3D sin contacto in situ determina con precisión el volumen de desgaste de las muestras de polímero, lo que permite calcular con exactitud índices de desgaste de 0,0029, 0,0020 y 0,0032m3/N m, respectivamente. En comparación, la muestra de CPVC muestra la tasa de desgaste más alta, de 0,1121m3/N m. En la huella de desgaste del CPVC aparecen profundas cicatrices de desgaste paralelas.

CONCLUSIÓN

La resistencia al desgaste de los polímeros desempeña un papel fundamental en su rendimiento de servicio. En este estudio, mostramos que el tribómetro Nanovea evalúa el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste de diferentes polímeros en un
de manera bien controlada y cuantitativa. El HDPE muestra el COF más bajo de ~0,15 entre los polímeros probados. Las muestras de HDPE, Nylon 66 y Polipropileno poseen bajas tasas de desgaste de 0,0029, 0,0020 y 0,0032 m3/N m, respectivamente. La combinación de baja fricción y gran resistencia al desgaste hace del HDPE un buen candidato para las aplicaciones tribológicas de los polímeros.

El perfilómetro 3D sin contacto in situ permite medir con precisión el volumen de desgaste y ofrece una herramienta para analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste, proporcionando más información sobre la comprensión fundamental de los mecanismos de desgaste

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