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AR Category: Tribology Testing
Evaluación del desgaste por rozamiento
EVALUACIÓN DEL DESGASTE POR ROZAMIENTO
Autor:
Doctor Duanjie Li
Revisado por
Jocelyn Esparza
INTRODUCCIÓN
El rozamiento es "un proceso especial de desgaste que se produce en la zona de contacto entre dos materiales sometidos a carga y sometidos a un movimiento relativo mínimo por vibración u otra fuerza". Cuando las máquinas están en funcionamiento, se producen inevitablemente vibraciones en las uniones atornilladas o con pasadores, entre componentes que no están destinados a moverse y en acoplamientos y cojinetes oscilantes. La amplitud de este movimiento de deslizamiento relativo suele ser del orden de micrómetros a milímetros. Este movimiento repetitivo de baja amplitud provoca un grave desgaste mecánico localizado y transferencia de material en la superficie, lo que puede reducir la eficacia de la producción, el rendimiento de la máquina o incluso dañarla.
Importancia de lo cuantitativo
Evaluación del desgaste por rozamiento
El desgaste por frotamiento a menudo implica varios mecanismos de desgaste complejos que tienen lugar en la superficie de contacto, incluida la abrasión de dos cuerpos, la adhesión y/o el desgaste por fatiga por frotamiento. Con el fin de comprender el mecanismo de desgaste por frotamiento y seleccionar el mejor material para la protección contra el desgaste por frotamiento, es necesaria una evaluación fiable y cuantitativa del desgaste por frotamiento. El comportamiento del desgaste por frotamiento se ve influido significativamente por el entorno de trabajo, como la amplitud de desplazamiento, la carga normal, la corrosión, la temperatura, la humedad y la lubricación. Un método versátil tribómetro que puedan simular las diferentes condiciones de trabajo realistas serán ideales para la evaluación del desgaste por rozamiento.
Steven R. Lampman, Manual ASM: Volumen 19: Fatiga y fractura
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En este estudio, evaluamos los comportamientos de desgaste por rozamiento de una muestra de acero inoxidable SS304 a diferentes velocidades de oscilación y temperaturas para mostrar la capacidad de NANOVEA T50 Tribómetro en la simulación del proceso de desgaste por frotamiento del metal de forma bien controlada y supervisada.
NANOVEA
T50
CONDICIONES DE ENSAYO
La resistencia al desgaste por frotamiento de una muestra de acero inoxidable SS304 se evaluó mediante NANOVEA Tribómetro utilizando un módulo de desgaste alternativo lineal. Se utilizó una bola de WC (6 mm de diámetro) como contramaterial. La pista de desgaste se examinó utilizando un NANOVEA Perfilómetro 3D sin contacto.
La prueba de rozamiento se realizó a temperatura ambiente (TA) y a 200 °C para estudiar el efecto de la alta temperatura en la resistencia al desgaste por frotamiento de la muestra SS304. Una placa calefactora situada en la platina de la muestra calentó la muestra durante el ensayo de desgaste por fricción a 200 °C. La tasa de desgaste, Kse evaluó mediante la fórmula K=V/(F×s)donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, y s es la distancia de deslizamiento.
Tenga en cuenta que en este estudio se ha utilizado como ejemplo una bola de WC como contramaterial. Se puede aplicar cualquier material sólido con diferentes formas y acabados superficiales utilizando un accesorio personalizado para simular la situación de aplicación real.
PARÁMETROS DE PRUEBA
de las mediciones de desgaste
RESULTADOS Y DEBATE
El perfil 3D de la huella de desgaste permite determinar de forma directa y precisa la pérdida de volumen de la huella de desgaste calculada por el NANOVEA Software de análisis de montañas.
El ensayo de desgaste alternativo a baja velocidad de 100 rpm y temperatura ambiente muestra una pequeña huella de desgaste de 0,014 mm.³. En comparación, la prueba de desgaste por rozamiento realizada a una velocidad elevada de 1.000 rpm crea una huella de desgaste sustancialmente mayor, con un volumen de 0,12 mm.³. Este proceso de desgaste acelerado puede atribuirse al elevado calor y a la intensa vibración generados durante el ensayo de desgaste por frotamiento, que favorecen la oxidación de los restos metálicos y provocan una abrasión severa de tres cuerpos. El ensayo de desgaste por frotamiento a una temperatura elevada de 200 °C forma una huella de desgaste mayor de 0,27 mm³.
La prueba de desgaste por rozamiento a 1000 rpm tiene una tasa de desgaste de 1,5×10-4 mm³/Nm, que es casi nueve veces superior a la del ensayo de desgaste alternativo a 100 rpm. La prueba de desgaste por rozamiento a temperatura elevada acelera aún más la tasa de desgaste hasta 3,4×10-4 mm³/Nm. Una diferencia tan significativa en la resistencia al desgaste medida a diferentes velocidades y temperaturas muestra la importancia de simulaciones adecuadas del desgaste por rozamiento para aplicaciones realistas.
El comportamiento del desgaste puede cambiar drásticamente cuando se introducen en el tribosistema pequeños cambios en las condiciones de ensayo. La versatilidad del NANOVEA El tribómetro permite medir el desgaste en diversas condiciones, como alta temperatura, lubricación, corrosión y otras. El control preciso de la velocidad y la posición mediante el motor avanzado permite a los usuarios realizar la prueba de desgaste a velocidades que oscilan entre 0,001 y 5000 rpm, lo que lo convierte en una herramienta ideal para que los laboratorios de investigación/pruebas investiguen el desgaste por rozamiento en diferentes condiciones tribológicas.
Pistas de desgaste por rozamiento en diversas condiciones
bajo el microscopio óptico
PERFILES 3D WEAR TRACKs
profundizar en los conocimientos fundamentales
del mecanismo de desgaste por rozamiento
RESUMEN DE RESULTADOS DE LAS PISTAS DE DESGASTE
medido utilizando diferentes parámetros de ensayo
CONCLUSIÓN
En este estudio, mostramos la capacidad del NANOVEA Tribometer en la evaluación del comportamiento de desgaste por rozamiento de una muestra de acero inoxidable SS304 de forma bien controlada y cuantitativa.
La velocidad y la temperatura de ensayo desempeñan un papel fundamental en la resistencia al desgaste por frotamiento de los materiales. El elevado calor y la intensa vibración durante el fretado provocaron un desgaste sustancialmente acelerado de la muestra de SS304 en cerca de nueve veces. La elevada temperatura de 200 °C aumentó la tasa de desgaste a 3,4×10-4 mm3/Nm.
La versatilidad del NANOVEA El tribómetro lo convierte en una herramienta ideal para medir el desgaste por rozamiento en diversas condiciones, como alta temperatura, lubricación, corrosión y otras.
NANOVEA Los tribómetros ofrecen pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. Nuestra incomparable gama es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.
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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 altas temperaturas. Por lo tanto, la resistencia al desgaste de las bolas bajo cargas elevadas y condiciones ambientales extremas es fundamental para prolongar la vida útil del rodamiento de bolas y reducir el coste y el tiempo de las reparaciones y sustituciones.
Los rodamientos de bolas se encuentran en casi todas las aplicaciones que implican piezas móviles. Se utilizan habitualmente en industrias de transporte como la aeroespacial y la automovilística, así como en la industria del juguete, que fabrica artículos como fidget spinner y monopatines.
EVALUACIÓN DEL DESGASTE DE LOS RODAMIENTOS DE BOLAS CON CARGAS ELEVADAS
Los rodamientos de bolas pueden fabricarse con una amplia lista de materiales. Los materiales más utilizados oscilan entre metales como el acero inoxidable y el acero al cromo o cerámicas como el carburo de wolframio (WC) y el nitruro de silicio (Si3n4). Para garantizar que los rodamientos de bolas fabricados poseen la resistencia al desgaste ideal para las condiciones de una aplicación determinada, es necesario realizar evaluaciones tribológicas fiables bajo cargas elevadas. Los ensayos tribológicos ayudan a cuantificar y contrastar los comportamientos de desgaste de diferentes rodamientos de bolas de forma controlada y monitorizada para seleccionar el mejor candidato para la aplicación en cuestión.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En este estudio, mostramos una Nanovea Tribómetro como herramienta ideal para comparar la resistencia al desgaste de diferentes rodamientos de bolas sometidos a cargas elevadas.
Figura 1: Montaje de la prueba de rodamientos.
PROCEDIMIENTO DE PRUEBA
El coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de los rodamientos de bolas fabricados con diferentes materiales se evaluaron mediante un tribómetro Nanovea. Como contramaterial se utilizó papel de lija de grano P100. Las cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas se examinaron utilizando un Nanovea Perfilador 3D sin contacto una vez concluidas las pruebas de desgaste. Los parámetros de las pruebas se resumen en la Tabla 1. La tasa de desgaste, Kse evaluó mediante la fórmula K=V/(F×s)donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal y s es la distancia de deslizamiento. Las cicatrices de desgaste de las bolas se evaluaron mediante un Nanovea Perfilador 3D sin contacto para garantizar una medición precisa del volumen de desgaste.
La función automatizada de posicionamiento radial motorizado permite al tribómetro disminuir el radio de la pista de desgaste durante la duración de una prueba. Este modo de ensayo se denomina ensayo en espiral y garantiza que el rodamiento de bolas se deslice siempre sobre una nueva superficie del papel de lija (figura 2). Mejora significativamente la repetibilidad de la prueba de resistencia al desgaste de la bola. El avanzado codificador de 20 bits para el control interno de la velocidad y el codificador de 16 bits para el control externo de la posición proporcionan información precisa en tiempo real sobre la velocidad y la posición, lo que permite un ajuste continuo de la velocidad de rotación para lograr una velocidad de deslizamiento lineal constante en el contacto.
Tenga en cuenta que el papel de lija de grano P100 se utilizó para simplificar el comportamiento de desgaste entre varios materiales de bolas en este estudio y puede sustituirse por cualquier otra superficie de material. Se puede sustituir por cualquier material sólido para simular el comportamiento de una amplia gama de acoplamientos de materiales en condiciones de aplicación reales, como en líquido o lubricante.
Figura 2: Ilustración de las pasadas en espiral del rodamiento de bolas sobre el papel de lija.
Tabla 1: Parámetros de ensayo de las mediciones de desgaste.
RESULTADOS Y DEBATE
La tasa de desgaste es un factor vital para determinar la vida útil del rodamiento de bolas, mientras que un COF bajo es deseable para mejorar el rendimiento y la eficiencia del rodamiento. La figura 3 compara la evolución del COF de diferentes rodamientos de bolas frente al papel de lija durante las pruebas. La bola de acero al Cr muestra un aumento del COF de ~0,4 durante la prueba de desgaste, en comparación con ~0,32 y ~0,28 para los rodamientos de bolas SS440 y Al2O3. Por otro lado, la bola de WC muestra un COF constante de ~0,2 durante toda la prueba de desgaste. Se puede observar una variación del COF a lo largo de cada prueba, que se atribuye a las vibraciones causadas por el movimiento de deslizamiento de los cojinetes de bolas contra la superficie rugosa del papel de lija.
Figura 3: Evolución del COF durante las pruebas de desgaste.
En la Figura 4 y la Figura 5 se comparan las cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas tras su medición con un microscopio óptico y con el perfilador óptico sin contacto Nanovea, respectivamente, y en la Tabla 2 se resumen los resultados del análisis de la huella de desgaste. El perfilómetro 3D Nanovea determina con precisión el volumen de desgaste de los rodamientos de bolas, lo que permite calcular y comparar las tasas de desgaste de diferentes rodamientos de bolas. Se puede observar que las bolas de acero al Cr y SS440 presentan cicatrices de desgaste aplanadas mucho más grandes en comparación con las bolas de cerámica, es decir, Al2O3 y WC después de las pruebas de desgaste. Las bolas de acero al Cr y SS440 tienen índices de desgaste comparables de 3,7×10-3 y 3,2×10-3 m3/N m, respectivamente. En comparación, la bola de Al2O3 muestra una mayor resistencia al desgaste, con un índice de desgaste de 7,2×10-4 m3/N m. La bola de WC apenas presenta pequeños arañazos en la zona poco profunda de la pista de desgaste, lo que se traduce en un índice de desgaste significativamente reducido de 3,3×10-6 mm3/N m.
Figura 4: Cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas tras las pruebas.
Figura 5: Morfología 3D de las cicatrices de desgaste en los rodamientos de bolas.
Tabla 2: Análisis de las cicatrices de desgaste de los rodamientos de bolas.
La figura 6 muestra imágenes microscópicas de las huellas de desgaste producidas en el papel de lija por los cuatro rodamientos de bolas. Es evidente que la bola de WC produjo la huella de desgaste más severa (eliminando casi todas las partículas de arena en su camino) y posee la mejor resistencia al desgaste. En comparación, las bolas de acero al Cr y SS440 dejaron una gran cantidad de restos metálicos en la huella de desgaste del papel de lija.
Estas observaciones demuestran aún más la importancia de las ventajas de una prueba en espiral. Garantiza que el rodamiento de bolas se deslice siempre sobre una superficie nueva del papel de lija, lo que mejora significativamente la repetibilidad de una prueba de resistencia al desgaste.
Figura 6: Huellas de desgaste en el papel de lija contra diferentes rodamientos de bolas.
CONCLUSIÓN
La resistencia al desgaste de los rodamientos de bolas sometidos a alta presión desempeña un papel vital en su rendimiento de servicio. Los rodamientos de bolas cerámicas poseen una resistencia al desgaste significativamente mayor en condiciones de alta tensión y reducen el tiempo y el coste debidos a la reparación o sustitución de los rodamientos. En este estudio, el rodamiento de bolas de WC presenta una resistencia al desgaste sustancialmente mayor en comparación con los rodamientos de acero, lo que lo convierte en un candidato ideal para aplicaciones de rodamientos en las que se produce un desgaste severo.
El tribómetro Nanovea está diseñado con capacidad de alto par para cargas de hasta 2.000 N y motor preciso y controlado para velocidades de rotación de 0,01 a 15.000 rpm. Ofrece pruebas repetibles de desgaste y fricción mediante modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste y lubricación a alta temperatura disponibles en un sistema preintegrado. Esta gama inigualable permite a los usuarios simular diferentes entornos de trabajo severos de los rodamientos de bolas, incluyendo alta tensión, desgaste y alta temperatura, etc. También actúa como una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de materiales superiores resistentes al desgaste bajo cargas elevadas.
Un perfilador 3D sin contacto Nanovea proporciona mediciones precisas del volumen de desgaste y actúa como una herramienta para analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste, proporcionando información adicional en la comprensión fundamental de los mecanismos de desgaste.
Preparado por
Duanjie Li, PhD, Jonathan Thomas y Pierre Leroux
Prueba de desgaste bloque-anillo
IMPORTANCIA DE LA EVALUACIÓN DEL DESGASTE BLOQUE-ANILLO
El desgaste por deslizamiento es la pérdida progresiva de material que resulta del deslizamiento de dos materiales entre sí en la zona de contacto bajo carga. Se produce inevitablemente en una amplia variedad de industrias en las que funcionan máquinas y motores, como la automoción, la industria aeroespacial, la petrolera y del gas y muchas otras. Este movimiento de deslizamiento provoca un grave desgaste mecánico y transferencia de material en la superficie, lo que puede reducir la eficacia de la producción, el rendimiento de la máquina o incluso dañarla.
El desgaste por deslizamiento suele implicar complejos mecanismos de desgaste que tienen lugar en la superficie de contacto, como el desgaste por adherencia, la abrasión de dos cuerpos, la abrasión de tres cuerpos y el desgaste por fatiga. El comportamiento de desgaste de los materiales se ve influido significativamente por el entorno de trabajo, como la carga normal, la velocidad, la corrosión y la lubricación. Una herramienta versátil tribómetro que puedan simular las diferentes condiciones de trabajo realistas serán ideales para la evaluación del desgaste.
El ensayo Block-on-Ring (ASTM G77) es una técnica ampliamente utilizada que evalúa los comportamientos de desgaste por deslizamiento de los materiales en diferentes condiciones simuladas, permite una clasificación fiable de las parejas de materiales para aplicaciones tribológicas específicas.
El ensayo Block-on-Ring (ASTM G77) es una técnica ampliamente utilizada que evalúa los comportamientos de desgaste por deslizamiento de los materiales en diferentes condiciones simuladas, permite una clasificación fiable de las parejas de materiales para aplicaciones tribológicas específicas.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En esta aplicación, el Probador Mecánico Nanovea mide el YS y el UTS de muestras de aleación metálica de acero inoxidable SS304 y aluminio Al6061. Las muestras se eligieron por sus valores de YS y UTS comúnmente reconocidos que demuestran la fiabilidad de los métodos de indentación de Nanovea.
El comportamiento de desgaste por deslizamiento de un bloque H-30 sobre un anillo S-10 se evaluó mediante el tribómetro de Nanovea utilizando el módulo Block-on-Ring. El bloque H-30 está fabricado con acero para herramientas 01 de dureza 30HRC, mientras que el anillo S-10 es de acero tipo 4620 de dureza superficial 58 a 63 HRC y diámetro de anillo de ~34,98 mm. Se realizaron pruebas de bloque sobre anillo en entornos secos y lubricados para investigar el efecto sobre el comportamiento de desgaste. Las pruebas de lubricación se realizaron en aceite mineral pesado USP. La huella de desgaste se examinó con el software Nanovea's Perfilómetro 3D sin contacto. Los parámetros de ensayo se resumen en la Tabla 1. La tasa de desgaste (K), se evaluó utilizando la fórmula K=V/(F×s), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento.
RESULTADOS Y DEBATE
La figura 2 compara el coeficiente de fricción (COF) de las pruebas de bloque sobre anillo en entornos secos y lubricados. El bloque presenta una fricción significativamente mayor en un entorno seco que en un entorno lubricado. COF
fluctúa durante el periodo de rodaje en las primeras 50 revoluciones y alcanza un COF constante de ~0,8 durante el resto de la prueba de desgaste de 200 revoluciones. En comparación, la prueba Block-on-Ring realizada en la lubricación con aceite mineral pesado USP muestra un COF bajo y constante de 0,09 durante toda la prueba de desgaste de 500.000 revoluciones. El lubricante reduce significativamente el COF entre las superficies en ~90 veces.
Las figuras 3 y 4 muestran las imágenes ópticas y los perfiles 2D transversales de las cicatrices de desgaste en los bloques después de las pruebas de desgaste en seco y lubricado. Los volúmenes de las huellas de desgaste y los índices de desgaste se indican en la Tabla 2. El bloque de acero después de la prueba de desgaste en seco a una velocidad de rotación inferior de 72 rpm durante 200 revoluciones presenta un gran volumen de cicatriz de desgaste de 9,45 mm˙. En comparación, la prueba de desgaste realizada a una velocidad superior de 197 rpm durante 500.000 revoluciones en el lubricante de aceite mineral crea un volumen de huella de desgaste sustancialmente menor de 0,03 mm˙.
Las imágenes de la ÿgura 3 muestran que durante las pruebas en seco se produce un desgaste severo en comparación con el desgaste leve de la prueba de desgaste lubricada. El elevado calor y las intensas vibraciones generadas durante la prueba de desgaste en seco promueven la oxidación de los restos metálicos, lo que provoca una abrasión severa de tres cuerpos. En la prueba lubricada, el aceite mineral reduce la fricción y enfría la superficie de contacto, además de transportar los residuos abrasivos generados durante el desgaste. Esto conduce a una reducción significativa de la tasa de desgaste en un factor de ~8×10ˆ. Una diferencia tan sustancial en la resistencia al desgaste en entornos diferentes muestra la importancia de una simulación adecuada del desgaste por deslizamiento en condiciones de servicio realistas.
El comportamiento del desgaste puede cambiar drásticamente cuando se introducen pequeños cambios en las condiciones de ensayo. La versatilidad del tribómetro de Nanovea permite medir el desgaste en condiciones de alta temperatura, lubricación y tribocorrosión. El control preciso de la velocidad y la posición mediante el motor avanzado permite realizar pruebas de desgaste a velocidades que oscilan entre 0,001 y 5000 rpm, lo que lo convierte en una herramienta ideal para que los laboratorios de investigación/pruebas investiguen el desgaste en di˛rentes condiciones tribológicas.
El estado de la superficie de las muestras se examinó con el proÿlómetro óptico sin contacto de Nanovea. La figura 5 muestra la morfología superficial de los anillos tras los ensayos de desgaste. Se ha eliminado la forma cilíndrica para presentar mejor la morfología superficial y la rugosidad creada por el proceso de desgaste por deslizamiento. Se produjo una rugosidad superficial significativa debido al proceso de abrasión de tres cuerpos durante el ensayo de desgaste en seco de 200 revoluciones. El bloque y el anillo después del ensayo de desgaste en seco presentan una rugosidad Ra de 14,1 y 18,1 µm, respectivamente, en comparación con 5,7 y 9,1 µm para el ensayo de desgaste lubricado a largo plazo de 500.000 - revoluciones a una velocidad superior. Esta prueba demuestra la importancia de una lubricación adecuada del contacto entre el anillo del pistón y el cilindro. Un desgaste intenso daña rápidamente la superficie de contacto sin lubricación y provoca un deterioro irreversible de la calidad de servicio e incluso la rotura del motor.
CONCLUSIÓN
En este estudio mostramos cómo se utiliza el tribómetro de Nanovea para evaluar el comportamiento de desgaste por deslizamiento de un par metálico de acero utilizando el módulo Block-on-Ring siguiendo la norma ASTM G77. El lubricante desempeña un papel fundamental en las propiedades de desgaste de la pareja de materiales. El aceite mineral reduce la tasa de desgaste del bloque H-30 en un factor de ~8×10ˆ y el COF en ~90 veces. La versatilidad del tribómetro de Nanovea lo convierte en una herramienta ideal para medir el comportamiento del desgaste en diversas condiciones de lubricación, alta temperatura y tribocorrosión.
El tribómetro de Nanovea ofrece pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La gama inigualable de Nanovea es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, ÿlms y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.
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Evaluación del desgaste y el rayado del alambre de cobre tratado superficialmente
Importancia de la evaluación del desgaste y el rayado del alambre de cobre
El cobre tiene una larga historia de uso en el cableado eléctrico desde la invención del electroimán y el telégrafo. Los hilos de cobre se utilizan en una amplia gama de equipos electrónicos, como paneles, contadores, ordenadores, máquinas comerciales y electrodomésticos, gracias a su resistencia a la corrosión, su soldabilidad y su rendimiento a temperaturas elevadas de hasta 150°C. Aproximadamente la mitad del cobre extraído se destina a la fabricación de alambres y cables eléctricos.
La calidad de la superficie de los alambres de cobre es fundamental para el rendimiento y la vida útil de las aplicaciones. Los microdefectos en los alambres pueden provocar un desgaste excesivo, el inicio y la propagación de grietas, una disminución de la conductividad y una soldabilidad inadecuada. Un tratamiento adecuado de la superficie de los alambres de cobre elimina los defectos superficiales generados durante el trefilado, mejorando la resistencia a la corrosión, los arañazos y el desgaste. Muchas aplicaciones aeroespaciales con alambres de cobre requieren un comportamiento controlado para evitar fallos inesperados del equipo. Se necesitan mediciones cuantificables y fiables para evaluar adecuadamente la resistencia al desgaste y al rayado de la superficie del alambre de cobre.
Objetivo de medición
En esta aplicación simulamos un proceso de desgaste controlado de diferentes tratamientos superficiales de alambre de cobre. Prueba del rasguño mide la carga necesaria para provocar un fallo en la capa superficial tratada. Este estudio muestra la capacidad de Nanovea Tribómetro y Comprobador mecánico como herramientas ideales para la evaluación y el control de calidad de los cables eléctricos.
Procedimiento de ensayo y procedimientos
El coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de dos tratamientos superficiales diferentes en alambres de cobre (Alambre A y Alambre B) se evaluaron mediante el tribómetro Nanovea utilizando un módulo de desgaste alternativo lineal. Una bola de Al₂O₃ (6 mm de diámetro) es el contramaterial utilizado en esta aplicación. La pista de desgaste se examinó utilizando el tribómetro de Nanovea Perfilómetro 3D sin contacto. Los parámetros de la prueba se resumen en la Tabla 1.
En este estudio se utilizó como ejemplo una bola lisa de Al₂O₃ como contramaterial. Puede aplicarse cualquier material sólido con diferente forma y acabado superficial utilizando una fijación personalizada para simular la situación de aplicación real.
El comprobador mecánico de Nanovea equipado con un palpador de diamante Rockwell C (100 μm de radio) realizó ensayos de rayado de carga progresiva en los hilos recubiertos utilizando el modo de micro rayado. Los parámetros del ensayo de rayado y la geometría de la punta se muestran en la Tabla 2.
Resultados y debate
Desgaste del hilo de cobre:
La figura 2 muestra la evolución del COF de los hilos de cobre durante las pruebas de desgaste. El alambre A muestra un COF estable de ~0,4 durante toda la prueba de desgaste, mientras que el alambre B exhibe un COF de ~0,35 en las primeras 100 revoluciones y aumenta progresivamente hasta ~0,4.
La figura 3 compara las huellas de desgaste de los hilos de cobre tras las pruebas. El perfilómetro 3D sin contacto de Nanovea ofreció un análisis superior de la morfología detallada de las huellas de desgaste. Permite determinar de forma directa y precisa el volumen de la huella de desgaste proporcionando una comprensión fundamental del mecanismo de desgaste. La superficie del alambre B presenta daños significativos en la huella de desgaste tras una prueba de desgaste de 600 revoluciones. La vista en 3D del perfilómetro muestra la capa tratada de la superficie del alambre B completamente eliminada, lo que aceleró sustancialmente el proceso de desgaste. Esto dejó una huella de desgaste aplanada en el alambre B, donde el sustrato de cobre está expuesto. Esto puede acortar considerablemente la vida útil de los equipos eléctricos en los que se utiliza el alambre B. En comparación, el alambre A presenta un desgaste relativamente leve, que se manifiesta por una huella de desgaste poco profunda en la superficie. La capa tratada superficialmente en el alambre A no se eliminó como la capa del alambre B en las mismas condiciones.
Resistencia al rayado de la superficie del hilo de cobre:
La figura 4 muestra las huellas de arañazos en los cables después de la prueba. La capa protectora del cable A muestra una resistencia al rayado muy buena. Se deslamina con una carga de ~12,6 N. En comparación, la capa protectora del alambre B falló con una carga de ~1,0 N. Una diferencia tan significativa en la resistencia al rayado de estos alambres contribuye a su rendimiento frente al desgaste, donde el alambre A posee una resistencia al desgaste sustancialmente mayor. La evolución de la fuerza normal, el COF y la profundidad durante las pruebas de rayado mostradas en la Fig. 5 proporciona más información sobre el fallo del revestimiento durante las pruebas.
Conclusión
En este estudio controlado mostramos el tribómetro de Nanovea, que realiza una evaluación cuantitativa de la resistencia al desgaste de los alambres de cobre tratados superficialmente, y el comprobador mecánico de Nanovea, que proporciona una evaluación fiable de la resistencia al rayado de los alambres de cobre. El tratamiento superficial del alambre desempeña un papel fundamental en las propiedades tribo-mecánicas durante su vida útil. El tratamiento adecuado de la superficie del cable A mejoró significativamente la resistencia al desgaste y a los arañazos, lo que es fundamental para el rendimiento y la vida útil de los cables eléctricos en entornos difíciles.
El tribómetro de Nanovea ofrece pruebas precisas y repetibles de desgaste y fricción mediante modos rotativos y lineales conformes con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La incomparable gama de Nanovea es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.
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Tribología de carga dinámica
Tribología de carga dinámica
Introducción
El desgaste se produce en prácticamente todos los sectores industriales e impone unos costes de ~0,75% del PIB1. La investigación tribológica es vital para mejorar la eficiencia 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 másicos. Dicha 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 de desgaste de los materiales es deseable para I+D y 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 dinámico de la carga. El avanzado sistema de carga neumática por aire comprimido permite a los usuarios evaluar el comportamiento tribológico de un material sometido a 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 muelles 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 gran precisión directamente a partir de 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. El ensayo de desgaste bajo carga de oscilación controlada también puede realizarse en entornos de corrosión, alta temperatura, humedad y lubricación para simular las condiciones reales de trabajo de las aplicaciones tribológicas. Una unidad integrada de alta velocidad perfilómetro sin contacto mide automáticamente la morfología de la huella 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 para estudiar el comportamiento tribológico de diferentes muestras de revestimiento y metal en condiciones de carga de oscilación controlada.
Procedimiento de ensayo
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 espesor se evaluó y comparó mediante el tribómetro Nanovea T2000 con un tribómetro convencional de carga muerta utilizando una configuración de perno sobre disco siguiendo la norma ASTM G992.
Se evaluaron muestras separadas de Cu y TiN recubiertas contra 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 cuestión de segundos.
Resultados y debate
Sistema de carga neumática frente a 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 transversales en diferentes puntos de la pista de desgaste en la Fig. 3 indican que el revestimiento 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 enorme presión concentrada en la cara de contacto, combinada con una elevada velocidad de deslizamiento, crea una vibración sustancial del peso y la estructura que provoca un desgaste acelerado. El tribómetro de carga muerta convencional aplica la carga utilizando pesos másicos. Este método es fiable con cargas de contacto 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, lo que muestra 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 de carga activo de 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 huella de desgaste. Se mide un perfil de la 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 mostrado 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, proporcionando más información sobre el progreso del comportamiento de desgaste in situ.
Oscilación controlada en el desgaste de la muestra de Cu
El módulo de electroimán de carga oscilante 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 continúa el ensayo de desgaste, 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 5,03 x 108 µm3 sin oscilación impuesta. La oscilación controlada acelera significativamente la velocidad de desgaste en un factor de ~2,7, lo que demuestra el efecto crítico de la oscilación en el comportamiento de desgaste.
Oscilación controlada en el desgaste del revestimiento de TiN
En la Fig. 8 se muestran el COF y las huellas de desgaste de la muestra de revestimiento de TiN. El revestimiento de TiN muestra 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 revestimiento de TiN empieza a fallar, la bola de Al₂O₃ penetra a través del revestimiento y se desliza contra el sustrato de acero fresco que hay debajo. Al mismo tiempo, se genera una cantidad significativa de restos de revestimiento duro de TiN 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 provoca 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 tras 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 fiable y mejor controlada del desgaste 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 frenado.
En lugar de tener influencia de 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 en diferentes condiciones de oscilación controlada. Las vibraciones desempeñan un papel importante en el comportamiento de desgaste de las muestras de recubrimientos metálicos y cerámicos.
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 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 cuestión de 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 al tribómetro proporcionar una gama incomparable de velocidades de rotación de 0,01 a 5000 rpm que pueden cambiar en saltos escalonados o a velocidades continuas. 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 de forma precisa y separada las fuerzas de fricción.
Los tribómetros Nanovea ofrecen pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes con las normas ISO y ASTM (incluidas 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 incomparable gama 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
Importance of Wear Evaluation on DLC in Humidity
Diamond-like carbon (DLC) coatings possess enhanced tribological properties, namely excellent wear resistance and a very low coefficient of friction (COF). DLC coatings impart diamond characteristics when deposited on different materials. Favorable tribo-mechanical properties make DLC coatings preferable in various industrial applications, such as aerospace parts, razor blades, metal cutting tools, bearings, motorcycle engines, and medical implants.
DLC coatings exhibit very low COF (below 0.1) against steel balls under high vacuum and dry conditions 12. However, DLC coatings are sensitive to environmental condition changes, particularly relative humidity (RH)3. Environments with high humidity and oxygen concentration may lead to significant increase in COF4. Reliable wear evaluation in controlled humidity simulates realistic environmental conditions of DLC coatings for tribological applications. Users select the best DLC coatings for target applications with proper comparison
of DLC wear behaviors exposed to different humidity.
Objetivo de medición
This study showcases the Nanovea Tribómetro equipped with a humidity controller is the ideal tool for investigating wear behavior of DLC coatings at various relative humidity.
Procedimiento de ensayo
Friction and wear resistance of DLC coatings were evaluated by the Nanovea Tribometer. Test parameters are summarized in Table 1. A humidity controller attached to the tribo-chamber precisely controlled the relative humidity (RH) with an accuracy of ±1%. Wear tracks on DLC coatings and wear scars on SiN balls were examined using an optical microscope after tests.
Note: Any solid ball material can be applied to simulate the performance of different material coupling under environmental conditions such as in lubricant or high temperature.
Resultados y debate
DLC coatings are great for tribological applications due to their low friction and superior wear resistance. The DLC coating friction exhibits humidity dependent behavior shown in Figure 2. The DLC coating shows a very low COF of ~0.05 throughout the wear test in relatively dry conditions (10% RH). The DLC coating exhibits a constant COF of ~0.1 during the test as RH increases to 30%. The initial run-in stage of COF is observed in the first 2000 revolutions when RH rises above 50%. The DLC coating shows a maximum COF of ~0.20, ~0.26 and ~0.33 in RH of 50, 70 and 90%, respectively. Following the run-in period, the DLC coating COF stays constant at ~0.11, 0.13 and 0.20 in RH of 50, 70 and 90%, respectively.
Figure 3 compares SiN ball wear scars and Figure 4 compares DLC coating wear tracks after the wear tests. The diameter of the wear scar was smaller when the DLC coating was exposed to an environment with low humidity. Transfer DLC layer accumulates on the SiN ball surface during the repetitive sliding process at the contact surface. At this stage, the DLC coating slides against its own transfer layer which acts as an efficient lubricant to facilitate the relative motion and restrain further mass loss caused by shear deformation. A transfer film is observed in the wear scar of the SiN ball in low RH environments (e.g. 10% and 30%), resulting in a decelerated wear process on the ball. This wear process reflects on the DLC coating’s wear track morphology as shown in Figure 4. The DLC coating exhibits a smaller wear track in dry environments, due to the formation of a stable DLC transfer film at the contact interface which significantly reduces friction and wear rate.
Conclusión
Humidity plays a vital role in the tribological performance of DLC coatings. The DLC coating possesses significantly enhanced wear resistance and superior low friction in dry conditions due to the formation of a stable graphitic layer transferred onto the sliding counterpart (a SiN ball in this study). The DLC coating slides against its own transfer layer, which acts as an efficient lubricant to facilitate the relative motion and restrain further mass loss caused by shear deformation. A film is not observed on the SiN ball with increasing relative humidity, leading to an increased wear rate on the SiN ball and the DLC coating.
The Nanovea Tribometer offers repeatable wear and friction testing using ISO and ASTM compliant rotative and linear modes, with optional humidity modules available in one pre- integrated system. It allows users to simulate the work environment at different humidity, providing users an ideal tool to quantitatively assess the tribological behaviors of materials under different work conditions.
Learn More about the Nanovea Tribometer and Lab Service
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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Friction Evaluation at Extreme Low Speeds
Importance of Friction Evaluation at Low Speeds
Friction is the force that resists the relative motion of solid surfaces sliding against each other. When the relative motion of these two contact surfaces takes place, the friction at the interface converts the kinetic energy into heat. Such a process can also lead to wear of the material and thus performance degradation of the parts in use.
With a large stretch ratio, high resilience, as well as great waterproof properties and wear resistance, rubber is extensively applied in a variety of applications and products in which friction plays an important role, such as automobile tires, windshield wiper blades. shoe soles and many others. Depending on the nature and requirement of these applications, either high or low friction against different material is desired. As a consequence, a controlled and reliable measurement of friction of rubber against various surfaces becomes critical.
Objetivo de medición
The coefficient of friction (COF) of rubber against different materials is measured in a controlled and monitored manner using the Nanovea Tribómetro. In this study, we would like to showcase the capacity of Nanovea Tribometer for measuring the COF of different materials at extremely low speeds.
Resultados y debate
The coefficient of friction (COF) of rubber balls (6 mm dia., RubberMill) on three materials (Stainless steel SS 316, Cu 110 and optional Acrylic) was evaluated by Nanovea Tribometer. The tested metal samples were mechanically polished to a mirror-like surface finish before the measurement. The slight deformation of the rubber ball under the applied normal load created an area contact, which also helps to reduce the impact of asperities or inhomogeneity of sample surface finish to the COF measurements. The test parameters are summarized in Table 1.
The COF of a rubber ball against different materials at four different speeds is shown in Figure. 2, and the average COFs calculated automatically by the software are summarized and compared in Figure 3. It is interesting that the metal samples (SS 316 and Cu 110) exhibit significantly increased COFs as the rotational speed increases from a very low value of 0.01 rpm to 5 rpm -the COF value of the rubber/SS 316 couple increases from 0.29 to 0.8, and from 0.65 to 1.1 for the rubber/Cu 110 couple. This finding is in agreement with the results reported from several laboratories. As proposed by Grosch4 the friction of rubber is mainly determined by two mechanisms: (1) the adhesion between rubber and the other material, and (2) the energy losses due to the deformation of the rubber caused by surface asperities. Schallamach5 observed waves of detachment of rubber from the counter material across the interface between soft rubber spheres and a hard surface. The force for rubber to peel from the substrate surface and rate of waves of detachment can explain the different friction at different speeds during the test.
In comparison, the rubber/acrylic material couple exhibits high COF at different rotational speeds. The COF value slightly increases from ~ 1.02 to ~ 1.09 as the rotational speed increases from 0.01 rpm to 5 rpm. Such high COF is possibly attributed to stronger local chemical bonding at the contact face formed during the tests.
Conclusión
In this study, we show that at extremely low speeds, the rubber exhibits a peculiar frictional behavior – its friction against a hard surface increases with the increased speed of the relative movement. Rubber shows different friction when it slides on different materials. Nanovea Tribometer can evaluate the frictional properties of materials in a controlled and monitored manner at different speeds, allowing users to improve fundamental understanding of the friction mechanism of the materials and select the best material couple for targeted tribological engineering applications.
Nanovea Tribometer offers precise and repeatable wear and friction testing using ISO and ASTM compliant rotative and linear modes, with optional high-temperature wear, lubrication and tribo-corrosion modules available in one pre-integrated system. It is capable of controlling the rotational stage at extremely low speeds down to 0.01 rpm and monitor the evolution of friction in situ. Nanovea’s unmatched range is an ideal solution for determining the full range of tribological properties of thin or thick, soft or hard coatings, films, and substrates.
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Tribología de polímeros
Introducción
Polymers have been used extensively in a wide variety of applications and have become an indispensable part of everyday life. Natural polymers such as amber, silk, and natural rubber have played an essential role in human history. The fabrication process of synthetic polymers can be optimized to achieve unique physical properties such as toughness, viscoelasticity, self-lubrication, and many others.
Importance of Wear and Friction of Polymers
Polymers are commonly used for tribological applications, such as tires, bearings, and conveyor belts.
Different wear mechanisms occur depending on the mechanical properties of the polymer, the contact conditions, and the properties of the debris or transfer film formed during the wear process. To ensure that the polymers possess sufficient wear resistance under the service conditions, reliable and quantifiable tribological evaluation is necessary. Tribological evaluation allows us to quantitatively compare the wear behaviors of different polymers in a controlled and monitored manner to select the material candidate for the target application.
The Nanovea Tribometer offers repeatable wear and friction testing using ISO and ASTM compliant rotative and linear modes, with optional high-temperature wear and lubrication modules available in one pre-integrated system. This unmatched range allows users to simulate the different work environments of the polymers including concentrated stress, wear, and high temperature, etc.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
In this study, we showcased that the Nanovea Tribómetro is an ideal tool for comparing the friction and wear resistance of different polymers in a well-controlled and quantitative manner.
PROCEDIMIENTO DE PRUEBA
The coefficient of friction (COF) and the wear resistance of different common polymers were evaluated by the Nanovea Tribometer. An Al2O3 ball was used as the counter material (pin, static sample). The wear tracks on the polymers (dynamic rotating samples) were measured using a non-contact 3D profilometer and optical microscope after the tests concluded. It should be noted that a non-contact endoscopic sensor can be used to measure the depth the pin penetrates the dynamic sample during a wear test as an option. The test parameters are summarized in Table 1. The wear rate, K, was evaluated using the formula K=Vl(Fxs), where V is the worn volume, F is the normal load, and s is the sliding distance.
Please note that Al2O3 balls were used as the counter material in this study. Any solid material can be substituted to more closely simulate the performance of two specimens under actual application conditions.
RESULTADOS Y DEBATE
Wear rate is a vital factor for determining the service lifetime of the materials, while the friction plays a critical role during the tribological applications. Figure 2 compares the evolution of the COF for different polymers against the Al2O3 ball during the wear tests. COF works as an indicator of when failures occur and the wear process enters a new stage. Among the tested polymers, HDPE maintains the lowest constant COF of ~0.15 throughout the wear test. The smooth COF implies that a stable tribo-contact is formed.
Figure 3 and Figure 4 compare the wear tracks of the polymer samples after the test is measured by the optical microscope. The In-situ non-contact 3D profilometer precisely determines the wear volume of the polymer samples, making it possible to accurately calculate wear rates of 0.0029, 0.0020, and 0.0032m3/N m, respectively. In comparison, the CPVC sample shows the highest wear rate of 0.1121m3/N m. Deep parallel wear scars are present in the wear track of CPVC.
CONCLUSIÓN
The wear resistance of the polymers plays a vital role in their service performance. In this study, we showcased that the Nanovea Tribometer evaluates the coefficient of friction and wear rate of different polymers in a
well-controlled and quantitative manner. HDPE shows the lowest COF of ~0.15 among the tested polymers. HDPE, Nylon 66, and Polypropylene samples possess low wear rates of 0.0029, 0.0020 and 0.0032 m3/N m, respectively. The combination of low friction and great wear resistance makes HDPE a good candidate for polymer tribological applications.
The In-situ non-contact 3D profilometer enables precise wear volume measurement and offers a tool to analyze the detailed morphology of the wear tracks, providing more insight into the fundamental understanding of wear mechanisms
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Continuous Stribeck Curve Measurement using Pin-on-Disk Tribometer
Introducción:
When lubrication is applied to reduce the wear/friction of moving surfaces, the lubrication contact at the interface can shift from several regimes such as Boundary, Mixed and Hydrodynamic Lubrication. The thickness of the fluid film plays a major role in this process, mainly determined by the fluid viscosity, the load applied at the interface and the relative speed between the two surfaces. How the lubrication regimes react to friction is shown in what is called a Stribeck [1-4] curve.
In this study we demonstrate for the first time the ability to measure a continuous Stribeck Curve. Using the Nanovea Tribómetro advanced step-less speed control, from 15000 to 0.01 rpm, within 10 minutes the software directly provides a complete Stribeck Curve. The simple initial setup only requires users to select the Exponential Ramp Mode and enter initial and final speeds, rather than having to perform multiple tests or program a stepwise procedure at different speeds requiring data stitching for the conventional Stribeck curve measurements. This advancement provides precise data throughout lubricant regime evaluation and substantially reduces time and cost. The test shows a great potential to be used in different industrial engineering applications.
Lubricating Eye Drop Comparison using the Nanovea T50 Tribometer
Importance of Testing Eye Drop Solutions
Eye drop solutions are used to alleviate symptoms caused by a range of eye problems. For example, they can be used to treat minor eye irritation (e.g. dryness and redness), delay the onset of glaucoma or treat infections. Eye drop solutions sold over-the-counter are mainly used to treat dryness. Their effectiveness in lubricating the eye can be compared and measured with a coefficient of friction test.
Dry eyes can be caused by a wide range of factors, for example, computer eye strain or being outdoors in extreme weather conditions. Good lubricating eye drops help maintain and supplement the moisture on the outer surface of the eyes. This works to alleviate the discomfort, burning or irritation and redness associated with dry eyes. By measuring the coefficient of friction (COF) of an eye drop solution, its lubricating efficiency and how it compares to other solutions can be determined.
Objetivo de medición
In this study, the coefficient of friction (COF) of three different lubricating eye drop solutions was measured using the pin-on-disk setup on the Nanovea T50 Tribometer.
Procedimiento de ensayo y procedimientos
A 6mm diameter spherical pin made of alumina was applied to a glass slide with each eye drop solution acting as the lubricant between the two surfaces. The test parameters used for all experiments are summarized in Table 1 below.
Resultados y debate
The maximum, minimum, and average coefficient of friction values for the three different eye drop solutions tested are tabulated in Table 2 below. The COF v. Revolutions graphs for each eye drop solution are depicted in Figures 2-4. The COF during each test remained relatively constant for most of the total test duration. Sample A had the lowest average COF indicating it had the best lubrication properties.
Conclusión
In this study we showcase the capability of the Nanovea T50 Tribometer in measuring the coefficient of friction of three eye drop solutions. Based on these values, we show that Sample A had a lower coefficient of friction and therefore exhibits better lubrication in comparison to the other two samples.
Nanovea Tribómetros offers precise and repeatable wear and friction testing using ISO and ASTM compliant rotative and linear modules. It also provides optional high temperature wear, lubrication, and tribo-corrosion modules available in one pre-integrated system. Such versatility allows users to better simulate the real application environment and improve fundamental understanding of the wear mechanism and tribological characteristics of various materials.
