Category: Rotational Tribology

Tribología rocosa

TRIBOLOGÍA DEL ROCK

UTILIZANDO EL TRIBÓMETRO NANOVEA

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

INTRODUCCIÓN

Las rocas están compuestas por granos de minerales. El tipo y la abundancia de estos minerales, así como la fuerza de enlace químico entre los granos minerales, determinan las propiedades mecánicas y tribológicas de las rocas. En función de los ciclos geológicos de las rocas, éstas pueden sufrir transformaciones y suelen clasificarse en tres grandes tipos: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Estas rocas presentan 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 LAS ROCAS

Durante el proceso de perforación de pozos se producen diversos tipos de desgaste contra las rocas, como la abrasión y la fricción, que provocan 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 perforabilidad, la cortabilidad y la abrasividad de las rocas es fundamental en las industrias del petróleo, el gas y la minería. La investigación de la tribología de las rocas desempeña un papel fundamental en la selección de las estrategias de perforación más eficaces y rentables, mejorando así la eficiencia global y contribuyendo a la conservación de los materiales, la energía y el medio ambiente. Además, minimizar la fricción superficial es muy ventajoso para reducir la interacción entre la broca de perforación y la roca, lo que se traduce en un menor desgaste de la herramienta y una mayor eficacia de perforación/corte.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, simulamos y comparamos las propiedades tribológicas de dos tipos de rocas para mostrar la capacidad del 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 con el tribómetro NANOVEA T50 utilizando el módulo de desgaste Pin-on-Disc. Se utilizó una bola de Al2O3 (6 mm de diámetro) como contramaterial. La huella de desgaste se examinó utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA después de las pruebas. Los parámetros de la prueba se resumen a continuación.

La tasa de desgaste, K, se evaluó mediante la fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento, A es el área transversal de la 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 con un microscopio óptico.

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

PARÁMETROS DE 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 DEBATE

La dureza (H) y el módulo elástico (E) de las muestras de caliza y mármol se comparan en la FIGURA 1, utilizando el módulo de microindentación del NANOVEA Mechanical Tester. La muestra de caliza presentó 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 observados en la muestra de caliza puede atribuirse a su mayor inhomogeneidad superficial, derivada de sus características granuladas y porosas.

La FIGURA 2 muestra la evolución del COF durante las pruebas de desgaste de las dos muestras de roca. La caliza experimenta inicialmente un rápido aumento del COF hasta aproximadamente 0,8 al comienzo del ensayo de desgaste, manteniéndose este valor durante toda la duración del ensayo. Este cambio abrupto en el COF puede atribuirse a la penetración de la bola de Al2O3 en la muestra de roca, resultante de un rápido proceso de desgaste y rugosidad que se produce en la cara de contacto dentro de la pista de desgaste. Por el contrario, la muestra de mármol muestra un notable aumento del COF hasta valores más altos después de aproximadamente 5 metros de distancia de deslizamiento, lo que significa que su resistencia al desgaste es superior a la de la caliza.

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

FIGURA 2: Evolución del coeficiente de fricción (COF) en muestras de caliza y mármol durante las pruebas de desgaste.

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

FIGURA 3: Perfiles transversales de las pistas de desgaste.

	ZONA DEL VALLE	PROFUNDIDAD DEL VALLE	ÍNDICE DE DESGASTE
CALIZA	35.3±5.9 × 10⁴ μm²	229±24 μm	0,0353 mm³/Nm
MÁRMOL	4.6±1.2 × 10⁴ μm²	61±15 μm	0,0046 mm³/Nm

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

FIGURA 4: Huellas de desgaste al 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 monitorizada. Las propiedades mecánicas superiores del mármol contribuyen a su excepcional resistencia al desgaste. Esta propiedad dificulta su perforación o corte en la industria del petróleo y el gas. Por el contrario, prolonga considerablemente su vida útil cuando se utiliza como material de construcción de alta calidad, como las baldosas.

Los tribómetros NANOVEA ofrecen capacidades de ensayo de desgaste y fricción precisas y repetibles, de conformidad con las normas 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 sistema. La incomparable gama de NANOVEA es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de recubrimientos finos o gruesos, blandos o duros, películas, sustratos y tribología de rocas.

Evaluación de arañazos y desgaste en revestimientos industriales

REVESTIMIENTO INDUSTRIAL

EVALUACIÓN DEL RAYADO Y EL 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 pintura para suelos, pintura para automóviles y otras. Cuando se utiliza como pintura para suelos, puede servir para zonas con mucho tráfico peatonal y de 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 acrílica de uretano 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 abrasivo Taber pueden estar sujetos a variaciones debido a 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 acrílicas de uretano 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 resistencia al rayado permite a los usuarios detectar fallos prematuros de adhesivo/adhesivo en aplicaciones reales.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

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

NANOVEA T100

El tribómetro neumático compacto

NANOVEA PB1000

Comprobador mecánico de gran plataforma

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

Este estudio evalúa cuatro revestimientos acrílicos al agua para suelos 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, el coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste. Se aplicó una punta de bola SS440 (6 mm de diámetro, Grado 100) contra las pinturas ensayadas. El COF se registró in situ. La tasa de desgaste, K, se evaluó mediante la fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento, A es el área transversal de la 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 mediante el programa NANOVEA Perfilómetro ópticoy la morfología de la huella de desgaste se examinó con un microscopio óptico.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE DESGASTE

FUERZA NORMAL

20 N

VELOCIDAD

15 m/min

DURACIÓN DE LA PRUEBA

100, 150, 300 y 800 ciclos

PRUEBA DE RAYADO

Se utilizó el NANOVEA Mechanical Tester equipado con un palpador de diamante Rockwell C (200 μm de radio) para realizar ensayos de rayado con carga progresiva en las muestras de pintura utilizando el modo Micro Scratch Tester. 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 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 la realización de 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 RAYADO

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

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DESGASTE

Se realizaron cuatro ensayos de desgaste pin-on-disk a diferentes números de revoluciones (100, 150, 300 y 800 ciclos) en cada muestra para monitorizar la evolución del desgaste. La morfología superficial de las muestras se midió con un perfilador sin contacto NANOVEA 3D para cuantificar la rugosidad superficial 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 resumió 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 exhibe 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 sustancial de restos de pintura como se indica en la FIGURA 4 - la capa superior de la Muestra A ha comenzado a ser eliminada 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 de COF en la FIGURA 2.

En comparación, las muestras B y 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. Este efecto lubricante mejora sustancialmente su resistencia al desgaste: la capa superior sigue proporcionando una protección superior a la imprimación subyacente después de 800 ciclos de desgaste. La tasa media de desgaste más baja de sólo ~0,77 μm2/N se mide para la Muestra B a 800 ciclos. La capa superior de la muestra D empieza a desprenderse después de 375 ciclos, como refleja el brusco aumento del COF en la FIGURA 2. La tasa media de desgaste de la muestra D sigue siendo superior a la de la imprimación después de 800 ciclos de desgaste. La tasa media de desgaste 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 cuantificables y fiables bien controladas que garantizan evaluaciones reproducibles y el control de calidad de las pinturas comerciales para suelos y automóviles. Además, la capacidad de 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 que resulta crítico para mejorar la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de diversos recubrimientos de pintura.

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

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

RESULTADOS DE LA PRUEBA DE RAYADO

La FIGURA 5 muestra, a modo de ejemplo, 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. Puede instalarse 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, tal como refleja el aumento progresivo de la profundidad verdadera. La variación en 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.

Las FIGURAS 6 y 7 muestran los rayados 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 superior 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 - exhibiendo 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 del rayado, mostramos que la optimización de la fórmula de la pintura es crítica para los comportamientos mecánicos, o más específicamente, la resistencia al rayado y la propiedad de adhesión de las pinturas acrílicas para suelos.

Cuadro 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 revestimientos de suelos comerciales y de automoción. El NANOVEA Mechanical Tester en modo Scratch 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 revestimientos acrílicos de base acuosa para suelos ensayados en este estudio, demostramos que la Muestra B posee el COF y el índice de desgaste más bajos y la segunda mejor resistencia al rayado, mientras que la Muestra D exhibe la mejor resistencia al rayado y la segunda mejor resistencia al desgaste. Esta evaluación nos permite valorar y seleccionar el mejor candidato en función de las necesidades en diferentes entornos de aplicación.

Los módulos Nano y Micro del Comprobador Mecánico NANOVEA incluyen modos de indentación, rayado y desgaste conformes a las normas ISO y ASTM, proporcionando la más amplia gama de pruebas disponibles para la evaluación de pinturas en un solo módulo. El Tribómetro NANOVEA ofrece ensayos de desgaste y fricción precisos y repetibles utilizando modos rotativos y lineales conformes a 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, incluida la dureza, el módulo de Young, la tenacidad a la fractura, la adherencia, la resistencia al desgaste y muchas otras. Los perfiladores ópticos sin contacto NANOVEA opcionales están disponibles para obtener imágenes 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 con un tribómetro

RENDIMIENTO DE ABRASIÓN DEL PAPEL DE LIJA

UTILIZANDO UN TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

INTRODUCCIÓN

El papel de lija consiste en partículas abrasivas pegadas a una cara de un papel o tela. Pueden utilizarse diversos materiales abrasivos para las partículas, como granate, carburo de silicio, óxido de aluminio y diamante. Las lijas se aplican 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 a mano o con herramientas eléctricas.

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

La eficacia del papel de lija suele venir determinada por su rendimiento de abrasión en distintas 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 rayado del material lijado. Las lijas con un número de grano más alto tienen partículas más pequeñas, lo que se traduce en velocidades de lijado más bajas y acabados superficiales más finos. 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 el papel de lija fabricado posee 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 monitorizada con el fin de seleccionar el mejor candidato para la aplicación deseada.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

NANOVEA

T2000

PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA

El coeficiente de fricción (COF) y el rendimiento de abrasión de dos tipos de lijas se evaluaron con el tribómetro NANOVEA T100. Se utilizó una bola de acero inoxidable 440 como contramaterial. Las cicatrices de desgaste de la bola se examinaron después de cada prueba de desgaste utilizando el 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 contramaterial para crear un estudio comparativo, pero se podría sustituir por cualquier material sólido para simular una condición de aplicación diferente.

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS Y DEBATE

La FIGURA 1 muestra una comparación del COF de los papeles 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 muestra un COF medio inferior, de 0,27. En condiciones húmedas, esta muestra presenta un COF medio inferior de 0,27. Por el contrario, los resultados del COF de la muestra 2 muestran un COF en seco de 0,27 y en húmedo de ~ 0,37.

Obsérvese que la oscilación en los datos de todos los gráficos 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 microscópica y de perfil de la bola se puede observar que la bola utilizada para la prueba de lija 1 (seca) exhibió una cicatriz de desgaste aplanada más grande en comparación con las otras, 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 la lija 2 (húmeda) 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. La lija 1 presentaba un COF más elevado en seco, lo que se tradujo en un mayor índice de abrasión de la bola SS440 utilizada en la prueba. En comparación, el mayor COF de la lija 2 en húmedo dio lugar a un mayor índice de abrasión. Las huellas de desgaste de las lijas tras las mediciones se muestran en la FIGURA 5.

Ambas lijas, 1 y 2, afirman funcionar tanto en seco como en húmedo. Sin embargo, mostraron un rendimiento de abrasión significativamente diferente en seco y en húmedo. NANOVEA tribómetros proporcionan capacidades de evaluación del desgaste cuantificables y fiables, bien controladas, que garantizan evaluaciones del desgaste reproducibles. Además, la capacidad de medición in situ del COF permite a los usuarios correlacionar las diferentes etapas de un proceso de desgaste con la evolución del COF, lo que resulta crítico 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 COF medio en diferentes condiciones.

FIGURA 3: Cicatrices de desgaste 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 en 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 obtuvo mejores resultados en condiciones húmedas. La fricción durante el proceso de lijado es un factor importante a considerar cuando se evalúa el rendimiento de abrasión. El Perfilador Óptico NANOVEA mide con precisión la morfología 3D de cualquier superficie, como las cicatrices de desgaste en una bola, garantizando una evaluación fiable sobre el rendimiento de 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 repetibles de desgaste y fricción utilizando 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 proporciona una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de materiales superiores resistentes al desgaste bajo cargas elevadas.

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Pruebas de desgaste por humedad del revestimiento de vidrio mediante tribómetro

Más información

RECUBRIMIENTO DE VIDRIO HUMEDAD

PRUEBAS DE DESGASTE MEDIANTE TRIBÓMETRO

Preparado por

DUANJIE LIDoctorado

INTRODUCCIÓN

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

IMPORTANCIA DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE DEL REVESTIMIENTO DE VIDRIO AUTOLIMPIANTE

Una de las principales aplicaciones del revestimiento autolimpiante es la superficie exterior de la fachada de cristal de los rascacielos. La superficie de cristal 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 un nuevo revestimiento cuando el antiguo falla. Por lo tanto, la resistencia al desgaste del revestimiento de vidrio bajo
Las diferentes condiciones meteorológicas son críticas.

Para simular las condiciones ambientales realistas del revestimiento autolimpiante en diferentes condiciones meteorológicas, es necesario realizar una evaluación repetible del desgaste en un entorno de humedad controlada y monitorizada. Esto 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, demostramos que la 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 microscopio 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. A modo de comparación, también se analizó un portaobjetos de vidrio sin recubrimiento.

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

CARGA MÁXIMA 40 mN

RESULTADOS Y DEBATE

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 el COF medio se resume en FIGURA 2. FIGURA 4 compara las huellas de desgaste tras las pruebas de desgaste.

Como se muestra en FIGURA 1, el vidrio sin recubrimiento presenta un COF elevado 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 revestido Revestimiento 1 y Revestimiento 2 muestran un COF bajo, inferior a 0,2 al comienzo del ensayo. El COF
del revestimiento 2 se estabiliza en ~0,25 durante el resto de la prueba, mientras que el revestimiento 1 muestra un fuerte aumento del COF a
~250 revoluciones y el COF alcanza un valor de ~0,5. Cuando las pruebas de desgaste se llevan a cabo en el 60% RH, el
El vidrio sin recubrimiento sigue mostrando un COF superior de ~0,45 durante toda la prueba de desgaste. Los recubrimientos 1 y 2 presentan valores de COF de 0,27 y 0,22, respectivamente. En el 90% RH, el vidrio sin recubrimiento posee un COF elevado de ~0,5 al final de la prueba de desgaste. Los recubrimientos 1 y 2 presentan un COF comparable de ~0,1 al iniciarse la prueba de desgaste. El recubrimiento 1 mantiene un COF relativamente estable de ~0,15. El revestimiento 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 bajo ángulo de roll-off. Esto conduce 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 Recubrimiento 2 a medida que aumenta el valor de HR de 30% a 90%.

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

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

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

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 tras la prueba en la HR de 90%, de acuerdo con el aumento significativo del COF durante la prueba de desgaste. El recubrimiento 2 casi no muestra signos de desgaste tras las pruebas de desgaste tanto en ambiente seco como húmedo, y también presenta un COF bajo constante durante las pruebas de desgaste en diferentes humedades. La combinación de buenas propiedades tribológicas y baja energía superficial hace del revestimiento 2 un buen candidato para aplicaciones de revestimiento de vidrio autolimpiante en entornos difíciles. En comparación, el vidrio sin recubrimiento muestra huellas de desgaste mayores y un COF más alto en diferentes humedades, lo que demuestra la necesidad de la técnica de recubrimiento autolimpiante.

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

CONCLUSIÓN

NANOVEA El tribómetro T100 es una herramienta superior para la evaluación y el control de calidad de los revestimientos de vidrio autolimpiantes en diferentes condiciones de humedad. La capacidad de medir in situ el COF 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 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 con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. El perfilador 3D sin contacto opcional está disponible para pruebas de desgaste a alta temperatura.
imágenes tridimensionales de resolución de la pista de desgaste, además de otras mediciones de superficie como la rugosidad.

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Medición in situ del desgaste a alta temperatura

MEDICIÓN DEL DESGASTE IN SITU A ALTA TEMPERATURA

UTILIZANDO UN TRIBÓMETRO

Preparado por

Doctor Duanjie Li

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 diversas aplicaciones industriales, como turbinas eléctricas, hidráulica, automatización, aeronaves, satélites, reactores nucleares y muchas otras.

En este estudio, presentamos los complementos de LVDT y módulos de alta temperatura del 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 resulta crítico para mejorar la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste y las características tribológicas de los materiales para aplicaciones a altas temperaturas.

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 materiales a elevadas temperaturas.

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 evaluaron con el tribómetro NANOVEA. La placa 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 realizaron cuando la muestra se enfrió de 800°C a 400°C y después a temperatura ambiente. Se aplicó una punta de bola de AI2O3 (6 mm de diámetro, grado 100) contra las muestras ensayadas. Se controlaron in situ el COF, la profundidad de desgaste y la temperatura.

PARÁMETROS DE PRUEBA

de la medición pin-on-disk

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

RESULTADOS Y DEBATE

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 temperatura disminuida desde una temperatura elevada de 800°C.

Como se muestra en la FIGURA 1, las muestras ensayadas a diferentes temperaturas presentan un COF comparable de ~0,6 a lo largo de todas las mediciones. Un COF tan elevado conduce a un proceso de desgaste acelerado que genera 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 del calentamiento de la muestra y después del enfriamiento de la muestra muestran que la placa cerámica de silicato de alúmina exhibe 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 temperaturas 400°C-I, 800°C y 400°C-D son ~140, ~350 y ~210 μm, respectivamente.

FIGURA 1. Coeficiente de fricción durante los ensayos pin-disk 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 velocidad 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 0,2 mm3/N a temperaturas inferiores a 400°C. La placa cerámica de silicato de alúmina no presenta propiedades mecánicas/tribológicas significativamente mejoradas tras el breve proceso de calentamiento, poseyendo una tasa de desgaste comparable antes y después del tratamiento térmico.

La cerámica de silicato de alúmina, también conocida como lava y piedra milagrosa, es blanda y mecanizable antes del tratamiento térmico. Un largo proceso de cocción a temperaturas elevadas de hasta 1093°C puede aumentar 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 corto periodo de tiempo no mejora las características mecánicas y tribológicas de la cerámica de silicato de alúmina, lo que hace que la cocción adecuada sea un proceso esencial para este material antes de su uso en las aplicaciones reales.

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

CONCLUSIÓN

Basándonos en el exhaustivo análisis tribológico realizado en este estudio, demostramos que la placa cerámica de silicato de alúmina presenta un coeficiente de fricción comparable a diferentes temperaturas, desde temperatura ambiente hasta 800°C. Sin embargo, muestra una tasa 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 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 diferentes etapas del proceso de desgaste con la evolución del COF, lo que resulta crítico 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 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. 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.

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

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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

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

Importancia de la evaluación del desgaste del DLC en condiciones de 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 de DLC imprimen características de diamante cuando se depositan sobre distintos materiales. Las propiedades tribo-mecánicas favorables hacen que los recubrimientos de DLC sean preferibles en diversas aplicaciones industriales, como piezas aeroespaciales, hojas de afeitar, herramientas de corte de metal, cojinetes, motores de motocicletas e implantes médicos.

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

Objetivo de medición

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

Procedimiento de ensayo

La resistencia a la fricción y al desgaste de los recubrimientos de DLC se evaluó con el tribómetro Nanovea. Los parámetros de ensayo se resumen en la Tabla 1. Un controlador de humedad acoplado a la tribocámara controló con precisión la humedad relativa (HR) con una exactitud de ±1%. Las huellas de desgaste en los recubrimientos de DLC y las cicatrices de desgaste en las bolas de SiN se examinaron con un microscopio óptico después de las pruebas.

Nota: Se puede aplicar cualquier material de bola sólida para simular el rendimiento de acoplamiento de diferentes materiales en condiciones ambientales como en lubricante o alta temperatura.

Resultados y debate

Los recubrimientos de DLC son excelentes para aplicaciones tribológicas debido a su baja fricción y a su mayor resistencia al desgaste. La fricción del recubrimiento de DLC presenta un comportamiento dependiente de la humedad, como se muestra en la figura 2. El recubrimiento de DLC muestra un COF muy bajo de ~0,05 durante todo el ensayo de desgaste en condiciones relativamente secas (10% HR). 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 aumenta por encima de 50%. El revestimiento de DLC muestra un COF máximo de ~0,20, ~0,26 y ~0,33 en HR 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 con HR de 50, 70 y 90%, respectivamente.

La figura 3 compara las cicatrices de desgaste de las bolas de SiN y la figura 4 compara las huellas de desgaste del recubrimiento de DLC tras las pruebas de desgaste. El diámetro de la cicatriz de desgaste era menor cuando el recubrimiento de DLC se exponía a un entorno con baja humedad. La capa de DLC transferida se acumula en la superficie de la bola de SiN durante el proceso de deslizamiento repetitivo en la superficie de contacto. En esta fase, 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 de 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 desempeña un papel fundamental en el rendimiento tribológico de los recubrimientos de DLC. El recubrimiento de DLC posee una resistencia al desgaste significativamente mejorada y una baja fricción superior en condiciones secas debido a la formación de una capa grafítica estable transferida a la contraparte deslizante (una bola de SiN en este estudio). 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. No se observa una película en la bola de SiN con el aumento de la humedad relativa, lo que conduce a un aumento de la tasa de desgaste en la bola de SiN y el recubrimiento de DLC.

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 humedad disponibles en un sistema preintegrado. Permite a los usuarios simular el entorno de trabajo a diferentes humedades, proporcionando a los usuarios una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos 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.- K. Miyoshi.

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 baja velocidad

La fricción es la fuerza que resiste el movimiento relativo de 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 un gran índice de elasticidad, alta resiliencia, así como grandes propiedades impermeables y resistencia al desgaste, el caucho se utiliza ampliamente en una gran variedad de aplicaciones y productos en los que la fricción desempeña un papel importante, como neumáticos de automóviles, escobillas limpiaparabrisas, suelas de zapatos y muchos otros. Dependiendo de la naturaleza y los requisitos de estas aplicaciones, se desea una fricción alta o baja contra distintos 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 utilizando el Nanovea Tribómetro. En este estudio, nos gustaría mostrar la capacidad del Tribómetro Nanovea para medir el COF de diferentes materiales a velocidades extremadamente bajas.

Resultados y debate

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 sometidas a ensayo se pulieron mecánicamente hasta obtener 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 ensayo se resumen en la Tabla 1.

En la figura se muestra el COF de una pelota de caucho contra distintos materiales a cuatro velocidades diferentes. 2, y en la figura 3 se resumen y comparan los COF medios calculados automáticamente por el software. Es interesante observar que las muestras metálicas (SS 316 y Cu 110) presentan un aumento significativo del COF a medida que aumenta la velocidad de rotación 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 concuerda con los resultados obtenidos para la pareja caucho/SS 316. Esta constatación coincide con los resultados comunicados por varios laboratorios. Como propone Grosch⁴ la fricción del caucho viene determinada principalmente por dos mecanismos: (1) la adherencia 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 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 caucho/material acrílico presenta un COF elevado a diferentes velocidades de rotación. El valor del COF aumenta ligeramente de ~ 1,02 a ~ 1,09 a medida que aumenta la velocidad de rotación de 0,01 rpm a 5 rpm. Este elevado COF se atribuye posiblemente a una unión química local más fuerte en la cara de contacto formada durante las pruebas.

Conclusión

En este estudio, demostramos que a velocidades extremadamente bajas, el caucho muestra un comportamiento friccional 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 distintos 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 aplicaciones de ingeniería tribológica específicas.

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 monitorizar 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 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. 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 polímeros sintéticos puede optimizarse para conseguir propiedades físicas únicas, como tenacidad, viscoelasticidad, 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 formada durante el proceso de desgaste. Para garantizar que los polímeros poseen suficiente resistencia al desgaste en las condiciones de servicio, es necesaria 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 tensión concentrada, desgaste y alta temperatura, etc.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

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

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

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

Tenga en cuenta que en este estudio se utilizaron bolas de Al2O3 como contramaterial. Puede sustituirse por cualquier material sólido para simular mejor el comportamiento de dos muestras en condiciones de aplicación reales.

RESULTADOS Y DEBATE

La velocidad 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 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 todo el ensayo de desgaste. La suavidad del COF implica que se forma un tribo-contacto estable.

En las figuras 3 y 4 se comparan las huellas de desgaste de las muestras de polímero tras la prueba medida con 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 el mayor índice de desgaste de 0,1121m3/N m. En la huella de desgaste del CPVC se observan profundas cicatrices de desgaste paralelas.

CONCLUSIÓN

La resistencia al desgaste de los polímeros desempeña un papel vital en su rendimiento de servicio. En este estudio, demostramos que el tribómetro Nanovea evalúa el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste de diferentes polímeros en un...
de forma cuantitativa y bien controlada. El HDPE muestra el COF más bajo de ~0,15 entre los polímeros ensayados. Las muestras de HDPE, Nylon 66 y Polipropileno poseen bajos índices 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 aplicaciones tribológicas de polímeros.

El perfilómetro 3D in situ y sin contacto permite medir con precisión el volumen de desgaste y ofrece una herramienta para analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste, lo que permite comprender mejor los mecanismos fundamentales del desgaste.

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