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Prueba de desgaste del revestimiento de PTFE

ENSAYO DE DESGASTE DEL REVESTIMIENTO DE PTFE

UTILIZANDO TRIBÓMETROS Y COMPROBADORES MECÁNICOS

Preparado por

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCCIÓN

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

IMPORTANCIA DE LA EVALUACIÓN CUANTITATIVA DE LOS REVESTIMIENTOS DE PTFE

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

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, se simula el proceso de desgaste de un revestimiento de PTFE para una sartén antiadherente utilizando el Tribómetro NANOVEA en modo lineal alternativo.

NANOVEA T50

Tribómetro compacto de peso libre

CONOCE MAS

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

NANOVEA PB1000

Comprobador mecánico de gran plataforma

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PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

PRUEBA DE DESGASTE

DESGASTE LINEAL ALTERNATIVO MEDIANTE TRIBÓMETRO

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

 

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

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE DESGASTE

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

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

PRUEBA DE RASPADO

PRUEBA DE ADHERENCIA AL MICROARAÑAZO CON UN COMPROBADOR MECÁNICO

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

 

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

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE RASCADO

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

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

DESGASTE LINEAL ALTERNATIVO MEDIANTE TRIBÓMETRO

El COF registrado in situ se muestra en la FIGURA 1. La muestra de prueba exhibió un COF de ~0,18 durante las primeras 130 revoluciones, debido a la baja adherencia del PTFE. Sin embargo, hubo un aumento repentino en el COF a ~1 una vez que el recubrimiento se abrió paso, revelando el sustrato debajo. Después de las pruebas lineales alternativas, el perfil de desgaste de la pista se midió usando el NANOVEA Perfilómetro óptico sin contacto, como se muestra en la FIGURA 2. A partir de los datos obtenidos, se calculó que la tasa de desgaste correspondiente era ~2,78 × 10-3 mm3/Nm, mientras que se determinó que la profundidad de la pista de desgaste era 44,94 µm.

Configuración de la prueba de desgaste del revestimiento de PTFE en el tribómetro NANOVEA T50.

FIGURA 1: Evolución del COF durante el ensayo de desgaste del revestimiento de PTFE.

FIGURA 2: Profile de extracción de la pista de desgaste PTFE.

PTFE Antes de la ruptura

COF máximo 0.217
Mín COF 0.125
COF medio 0.177

PTFE Después de la ruptura

COF máximo 0.217
Mín COF 0.125
COF medio 0.177

TABLA 1: COF antes y después de la rotura durante la prueba de desgaste.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

PRUEBA DE ADHERENCIA AL MICROARAÑAZO CON UN COMPROBADOR MECÁNICO

La adherencia del revestimiento de PTFE al sustrato se mide mediante ensayos de rayado con un estilete de diamante de 200 µm. La micrografía se muestra en la FIGURA 3 y FIGURA 4, la evolución del COF, y la profundidad de penetración en la FIGURA 5. Los resultados de la prueba de rayado del recubrimiento de PTFE se resumen en la TABLA 4. A medida que aumentaba la carga sobre el estilete de diamante, éste penetraba progresivamente en el revestimiento, lo que provocaba un aumento del COF. Cuando se alcanzó una carga de ~8,5 N, se produjo la ruptura del revestimiento y la exposición del sustrato a alta presión, lo que dio lugar a un COF elevado de ~0,3. El bajo St Dev mostrado en la TABLA 2 demuestra la repetibilidad del ensayo de rayado del revestimiento de PTFE realizado con el Comprobador Mecánico NANOVEA.

FIGURA 3: Micrografía del rayado completo sobre PTFE (10X).

FIGURA 4: Micrografía del rayado completo sobre PTFE (10X).

FIGURA 5: Gráfico de fricción que muestra la línea del punto crítico de fallo para el PTFE.

Rayado Punto de fallo [N] Fuerza de rozamiento [N] COF
1 0.335 0.124 0.285
2 0.337 0.207 0.310
3 0.380 0.229 0.295
Media 8.52 2.47 0.297
St dev 0.17 0.16 0.012

TABLA 2: Resumen de la carga crítica, la fuerza de fricción y el COF durante la prueba de rayado.

CONCLUSIÓN

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

 

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

 

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

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