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Herramientas dentales: análisis dimensional y de rugosidad superficial
INTRODUCCIÓN
Contar con dimensiones precisas y una rugosidad superficial óptima es fundamental para la funcionalidad de los tornillos dentales. Muchas dimensiones de los tornillos dentales requieren una alta precisión, como radios, ángulos, distancias y alturas de paso. Comprender la rugosidad superficial local también es muy importante para cualquier herramienta o pieza médica que se inserte en el cuerpo humano, a fin de minimizar la fricción por deslizamiento.
PERFILOMETRÍA SIN CONTACTO PARA EL ESTUDIO DIMENSIONAL
Nanovea Perfiladores 3D sin contacto Utiliza una tecnología basada en luz cromática para medir cualquier superficie de material: transparente, opaca, especular, difusa, pulida o rugosa. A diferencia de la técnica de sonda táctil, la técnica sin contacto puede medir en áreas estrechas y no añade ningún error intrínseco debido a la deformación causada por la presión de la punta sobre un material plástico más blando. La tecnología basada en luz cromática también ofrece una precisión lateral y de altura superior en comparación con la tecnología de variación de enfoque. Los perfiladores Nanovea pueden escanear grandes superficies directamente sin necesidad de unirlas y perfilar la longitud de una pieza en pocos segundos. Se pueden medir características superficiales de rango nano a macro y ángulos superficiales elevados gracias a la capacidad del perfilador para medir superficies sin algoritmos complejos que manipulen los resultados.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En esta aplicación, se utilizó el perfilómetro óptico Nanovea ST400 para medir un tornillo dental a lo largo de las características planas y roscadas en una sola medición. Se calculó la rugosidad de la superficie a partir del área plana y se determinaron varias dimensiones de las características roscadas.
Muestra de tornillo dental analizada por NANOVEA Perfilador óptico.
Muestra de tornillo dental analizada.
RESULTADOS
Superficie 3D
La vista en 3D y la vista en falso color del tornillo dental muestran una zona plana con roscas a ambos lados. Proporciona a los usuarios una herramienta sencilla para observar directamente la morfología del tornillo desde diferentes ángulos. La zona plana se extrajo del escaneo completo para medir la rugosidad de su superficie.
Análisis de superficies 2D
También se pueden extraer perfiles de línea de la superficie para mostrar una vista transversal del tornillo. Se utilizaron los estudios de análisis de contorno y altura de paso para medir las dimensiones precisas en una ubicación determinada del tornillo.
CONCLUSIÓN
En esta aplicación, mostramos la capacidad del perfilómetro 3D sin contacto Nanovea para calcular con precisión la rugosidad local de la superficie y medir características dimensionales de gran tamaño en un solo escaneo.
Los datos muestran una rugosidad superficial local de 0,9637 μm. Se determinó que el radio del tornillo entre roscas era de 1,729 mm, y que las roscas tenían una altura media de 0,413 mm. Se determinó que el ángulo medio entre las roscas era de 61,3°.
Los datos que se muestran aquí representan solo una parte de los cálculos disponibles en el software de análisis.
Preparado por
Duanjie Li, PhD., Jonathan Thomas y Pierre Leroux
Cerámica: mapeo rápido por nanoindentación para la detección de granos
INTRODUCCIÓN
Nanoindentación se ha convertido en una técnica ampliamente utilizada para medir el comportamiento mecánico de los materiales a pequeña escala.i ii. Las curvas de carga-desplazamiento de alta resolución obtenidas mediante una medición de nanoindentación pueden proporcionar una variedad de propiedades físico-mecánicas, entre las que se incluyen la dureza, el módulo de Young, la fluencia, la resistencia a la fractura y muchas otras.
Importancia del mapeo rápido de sangría
Un obstáculo importante para una mayor popularización de la técnica de nanoindentación es el tiempo que requiere. El mapeo de las propiedades mecánicas mediante el procedimiento convencional de nanoindentación puede llevar fácilmente horas, lo que dificulta la aplicación de la técnica en industrias de producción en masa, como la de semiconductores, aeroespacial, MEMS, productos de consumo como baldosas cerámicas y muchas otras.
El mapeo rápido puede resultar esencial en la industria de fabricación de baldosas cerámicas. Los mapas de dureza y módulo de Young en una sola baldosa cerámica pueden presentar una distribución de datos que indica el grado de homogeneidad de la superficie. Las zonas más blandas de una baldosa pueden delinearse en este mapa y mostrar las ubicaciones más propensas a sufrir daños por los impactos físicos que se producen a diario en una vivienda. Los mapeos se pueden realizar en diferentes tipos de baldosas para estudios comparativos y en un lote de baldosas similares para medir la consistencia de las baldosas en los procesos de control de calidad. La combinación de configuraciones de medición puede ser amplia, precisa y eficiente con el método de mapeo rápido.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En este estudio, el Nanovea Comprobador mecánico, en modo FastMap, se utiliza para mapear las propiedades mecánicas de una baldosa a alta velocidad. Mostramos la capacidad del Nanovea Mechanical Tester para realizar dos mapeos rápidos de nanoindentación con alta precisión y reproducibilidad.
Condiciones de prueba
Se utilizó el probador mecánico Nanovea para realizar una serie de nanoindentaciones con el modo FastMap en una baldosa utilizando un indentador Berkovich. A continuación se resumen los parámetros de prueba para las dos matrices de indentación creadas.
Tabla 1: Resumen de los parámetros de prueba.
RESULTADOS Y DEBATE
Figura 1: Vista en 2D y 3D del mapa de dureza con indentación 625.
Figura 2: Micrografía de una matriz con 625 indentaciones que muestra el grano.
Se realizó una matriz de 625 indentaciones en un 0,20 mm.2 área con un grano visible. Este grano (Figura 2) tenía una dureza media inferior a la de la superficie general de la baldosa. El software Nanovea Mechanical permite al usuario ver el mapa de distribución de la dureza en modo 2D y 3D, tal y como se muestra en la Figura 1. Gracias al control de posición de alta precisión de la plataforma de muestras, el software permite a los usuarios seleccionar áreas como estas para realizar un mapeo detallado de las propiedades mecánicas.
Figura 3: Vista en 2D y 3D del mapa de dureza con 1600 indentaciones.
Figura 4: Micrografía de la matriz con 1600 indentaciones.
También se creó una matriz de 1600 indentaciones en la misma baldosa para medir la homogeneidad de la superficie. Una vez más, el usuario tiene la posibilidad de ver la distribución de la dureza en modo 3D o 2D (Figura 3), así como la imagen microscópica de la superficie indentada. Basándose en la distribución de la dureza presentada, se puede concluir que el material es poroso debido a la dispersión uniforme de los puntos de datos de alta y baja dureza.
En comparación con los procedimientos convencionales de nanoindentación, el modo FastMap utilizado en este estudio requiere mucho menos tiempo y es más rentable. Permite realizar un mapeo cuantitativo rápido de las propiedades mecánicas, incluyendo la dureza y el módulo de Young, y ofrece una solución para la detección de granos y la consistencia de los materiales, lo cual es fundamental para el control de calidad de una gran variedad de materiales en la producción en masa.
CONCLUSIÓN
En este estudio, mostramos la capacidad del Nanovea Mechanical Tester para realizar mapas de nanoindentación rápidos y precisos utilizando el modo FastMap. Los mapas de propiedades mecánicas de la baldosa cerámica utilizan el control de posición (con una precisión de 0,2 µm) de las etapas y la sensibilidad del módulo de fuerza para detectar los granos de la superficie y medir la homogeneidad de una superficie a alta velocidad.
Los parámetros de prueba utilizados en este estudio se determinaron en función del tamaño de la matriz y del material de la muestra. Se pueden elegir diversos parámetros de prueba para optimizar el tiempo total del ciclo de indentación a 3 segundos por indentación (o 30 segundos por cada 10 indentaciones).
Los módulos Nano y Micro del probador mecánico Nanovea incluyen modos de prueba de indentación, rayado y desgaste que cumplen con las normas ISO y ASTM, lo que proporciona la gama de pruebas más amplia y fácil de usar disponible en un solo sistema. La inigualable gama de Nanovea es la solución ideal para determinar todas las propiedades mecánicas de recubrimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluyendo la dureza, el módulo de Young, la resistencia a la fractura, la adhesión, la resistencia al desgaste y muchas otras.
Además, hay disponibles un perfilómetro 3D sin contacto y un módulo AFM opcionales para obtener imágenes 3D de alta resolución de hendiduras, rayones y marcas de desgaste, además de otras mediciones superficiales, como la rugosidad.
Autor: Duanjie Li, PhD Revisado por Pierre Leroux y Jocelyn Esparza
Mejora los procedimientos mineros con microindentación
INVESTIGACIÓN SOBRE MICROINDENTACIÓN Y CONTROL DE CALIDAD
La mecánica de rocas es el estudio del comportamiento mecánico de las masas rocosas y se aplica en las industrias minera, de perforación, de producción de yacimientos y de construcción civil. La instrumentación avanzada con medición precisa de las propiedades mecánicas permite mejorar las piezas y los procedimientos dentro de estas industrias. Los procedimientos de control de calidad exitosos se garantizan mediante la comprensión de la mecánica de rocas a escala micro.
Microindentación es una herramienta fundamental utilizada en estudios relacionados con la mecánica de rocas. Estas técnicas mejoran las técnicas de excavación al proporcionar una mayor comprensión de las propiedades de las masas rocosas. La microindentación se utiliza para mejorar los cabezales de perforación, lo que mejora los procedimientos mineros. La microindentación se ha utilizado para estudiar la formación de tiza y polvo a partir de minerales. Los estudios de microindentación pueden incluir dureza, módulo de Young, fluencia, tensión-deformación, resistencia a la fractura y compresión con un solo instrumento.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En esta aplicación, Nanovea probador mecánico mide la dureza Vickers (Hv), el módulo de Young y la resistencia a la fractura de una muestra de roca mineral. La roca está compuesta por biotita, feldespato y cuarzo, que forman el compuesto estándar del granito. Cada uno se prueba por separado.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Esta sección incluye una tabla resumen que compara los principales resultados numéricos de las diferentes muestras, seguida de la lista completa de resultados, incluyendo cada indentación realizada, acompañada de micrografías de la indentación, cuando están disponibles. Estos resultados completos presentan los valores medidos de dureza y módulo de Young como la profundidad de penetración (Δd) con sus promedios y desviaciones estándar. Debe tenerse en cuenta que pueden producirse grandes variaciones en los resultados en caso de que la rugosidad de la superficie se encuentre en el mismo rango de tamaño que la indentación.
Tabla resumen de los principales resultados numéricos para la dureza y la resistencia a la fractura.
CONCLUSIÓN
El medidor mecánico Nanovea demuestra reproducibilidad y resultados precisos de indentación en la superficie dura de la roca mineral. La dureza y el módulo de Young de cada material que forma el granito se midieron directamente a partir de curvas de profundidad frente a carga. La superficie rugosa implicaba realizar pruebas con cargas más altas, lo que podría haber causado microfisuras. Las microfisuras explicarían algunas de las variaciones observadas en las mediciones. Las fisuras no eran perceptibles mediante la observación con microscopio estándar debido a la superficie rugosa de la muestra. Por lo tanto, no es posible calcular los valores tradicionales de resistencia a la fractura, que requieren mediciones de la longitud de las grietas. En su lugar, utilizamos el sistema para detectar el inicio de grietas a través de las dislocaciones en las curvas de profundidad frente a carga mientras se aumentaban las cargas.
Las cargas umbral de fractura se registraron en las cargas en las que se produjeron fallos. A diferencia de las pruebas tradicionales de resistencia a la fractura, que simplemente miden la longitud de la grieta, se obtiene una carga en la que comienza la fractura umbral. Además, el entorno controlado y supervisado de cerca permite medir la dureza para utilizarla como valor cuantitativo para comparar una variedad de muestras.
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Inspección de rugosidad en línea
Detección instantánea de errores con perfiladores en línea
Surface roughness and texture is vital to the end-use of a product. Fast, quanti able, and reliable inline inspection of the product surface ensures detecting the defective products immediately so as to determine the work
conditions of the production line. It not only improves productivity and e ciency, but also reduces defect rates,
re-work, and waste.
IMPORTANCIA DEL PERFILADOR SIN CONTACTO PARA LA INSPECCIÓN DE RUGOSIDAD EN LÍNEA
Los defectos superficiales se derivan del procesamiento de los materiales y la fabricación de los productos. La inspección de la calidad de la superficie en línea garantiza el control de calidad más estricto de los productos finales. Nanovea Perfilómetros 3D sin contacto Utiliza tecnología confocal cromática con una capacidad única para determinar la rugosidad de una muestra sin contacto. Se pueden instalar múltiples sensores de perfilado para supervisar la rugosidad y la textura de diferentes áreas del producto al mismo tiempo. El umbral de rugosidad calculado en tiempo real por el software de análisis sirve como una herramienta rápida y confiable de aprobación/rechazo.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En este estudio, se utiliza el sistema transportador de inspección de rugosidad Nanovea, equipado con un sensor puntual, para inspeccionar la rugosidad superficial de las muestras de acrílico y papel de lija. Mostramos la capacidad del perfilómetro sin contacto Nanovea para proporcionar una inspección de rugosidad rápida y confiable en línea en una línea de producción en tiempo real.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El sistema de perfilómetro transportador puede funcionar en dos modos: modo de activación y modo continuo. Como se ilustra en la figura 2, la rugosidad superficial de las muestras se mide cuando pasan por debajo de los cabezales del perfilómetro óptico en el modo de activación. En comparación, el modo continuo proporciona una medición ininterrumpida de la rugosidad superficial de muestras continuas, como láminas metálicas y tejidos. Se pueden instalar varios sensores de perfilómetro óptico para supervisar y registrar la rugosidad de diferentes áreas de la muestra.
Durante la medición de inspección de rugosidad en tiempo real, las alertas de aprobado y fallido se muestran en las ventanas del software, tal y como se muestra en la Figura 4 y la Figura 5. Cuando el valor de rugosidad se encuentra dentro de los umbrales establecidos, la rugosidad medida se resalta en color verde. Sin embargo, el resaltado se vuelve rojo cuando la rugosidad superficial medida está fuera del rango de los valores umbral establecidos. Esto proporciona una herramienta para que el usuario determine la calidad del acabado superficial de un producto.
En las siguientes secciones, se utilizan dos tipos de muestras, por ejemplo, acrílico y lija, para demostrar los modos de activación y continuo del sistema de inspección.
Modo de activación: Inspección superficial de la muestra acrílica
Una serie de muestras de acrílico se alinean en la cinta transportadora y se desplazan bajo el cabezal del perfilador óptico, tal y como se muestra en la figura 1. La vista en falso color de la figura 6 muestra el cambio en la altura de la superficie. Algunas de las muestras de acrílico con acabado espejo se lijaron para crear una textura superficial rugosa, tal y como se muestra en la figura 6b.
A medida que las muestras de acrílico se desplazan a una velocidad constante bajo el cabezal del perfilómetro óptico, se mide el perfil de la superficie, tal y como se muestra en las figuras 7 y 8. Al mismo tiempo, se calcula el valor de rugosidad del perfil medido y se compara con los valores umbral. Cuando el valor de rugosidad supera el umbral establecido, se activa una alerta roja de fallo, lo que permite a los usuarios detectar y localizar inmediatamente el producto defectuoso en la línea de producción.
Modo continuo: inspección de la superficie de la muestra de papel de lija.
Mapa de altura de superficie, mapa de distribución de rugosidad y mapa de umbral de rugosidad de aprobado/reprobado de la superficie de la muestra de papel de lija, tal y como se muestra en la figura 9. La muestra de papel de lija tiene un par de picos más altos en la parte usada, tal y como se muestra en el mapa de altura de superficie. Los diferentes colores de la paleta de la figura 9C representan el valor de rugosidad de la superficie local. El mapa de rugosidad muestra una rugosidad homogénea en la zona intacta de la muestra de papel de lija, mientras que la zona usada se resalta en color azul oscuro, lo que indica el valor de rugosidad reducido en esta región. Se puede establecer un umbral de rugosidad de aprobado/reprobado para localizar dichas regiones, como se muestra en la figura 9D.
A medida que el papel de lija pasa continuamente por debajo del sensor del perfilador en línea, se calcula y registra el valor de rugosidad local en tiempo real, tal y como se muestra en la figura 10. Las alertas de aprobado/reprobado se muestran en la pantalla del software en función de los valores umbral de rugosidad establecidos, lo que lo convierte en una herramienta rápida y confiable para el control de calidad. La calidad de la superficie del producto en la línea de producción se inspecciona in situ para detectar a tiempo las áreas defectuosas.
CONCLUSIÓN
En esta aplicación, hemos demostrado que el perfilómetro de cinta transportadora Nanovea, equipado con un sensor perfilador óptico sin contacto, funciona como una herramienta de control de calidad en línea fiable, eficaz y eficiente.
El sistema de inspección se puede instalar en la línea de producción para supervisar la calidad de la superficie de los productos in situ. El umbral de rugosidad funciona como un criterio fiable para determinar la calidad de la superficie de los productos, lo que permite a los usuarios detectar a tiempo los productos defectuosos. Se ofrecen dos modos de inspección, el modo de activación y el modo continuo, para satisfacer los requisitos de inspección de diferentes tipos de productos.
Los datos que se muestran aquí representan solo una parte de los cálculos disponibles en el software de análisis. Los perfilómetros Nanovea miden prácticamente cualquier superficie en campos como el de los semiconductores, la microelectrónica, la energía solar, la fibra óptica, la automoción, la industria aeroespacial, la metalurgia, el mecanizado, los recubrimientos, la industria farmacéutica, la biomedicina, el medio ambiente y muchos otros.
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Prueba de desgaste Block-On-Ring
IMPORTANCIA DE LA EVALUACIÓN DEL DESGASTE DEL BLOQUE SOBRE EL ANILLO
El desgaste por deslizamiento es la pérdida progresiva de material que se produce cuando dos materiales se deslizan uno contra otro en la zona de contacto bajo carga. Se produce inevitablemente en una amplia variedad de industrias en las que se utilizan máquinas y motores, como la automotriz, la aeroespacial, la del petróleo y el gas, entre muchas otras. Este movimiento de deslizamiento provoca un grave desgaste mecánico y una transferencia de material en la superficie, lo que puede reducir la eficiencia de la producción, el rendimiento de la máquina o incluso dañar la máquina.
El desgaste por deslizamiento suele implicar mecanismos de desgaste complejos que tienen lugar en la superficie de contacto, como el desgaste por adhesión, 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. Un versátil tribómetro que puedan simular las diferentes condiciones de trabajo reales serán ideales para evaluar el desgaste.
La prueba Block-on-Ring (ASTM G77) es una técnica ampliamente utilizada que evalúa el comportamiento de desgaste por deslizamiento de los materiales en diferentes condiciones simuladas, lo que permite clasificar de forma fiable los pares de materiales para aplicaciones tribológicas específicas.
La prueba Block-on-Ring (ASTM G77) es una técnica ampliamente utilizada que evalúa el comportamiento de desgaste por deslizamiento de los materiales en diferentes condiciones simuladas, lo que permite clasificar de forma fiable los pares 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 YS y UTS comúnmente reconocidos, lo que demuestra 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 con el tribómetro de Nanovea utilizando el módulo Block-on-Ring. El bloque H-30 está fabricado con acero para herramientas 01 con una dureza de 30 HRC, mientras que el anillo S-10 es de acero tipo 4620 con una dureza superficial de 58 a 63 HRC y un diámetro de ~34,98 mm. Las pruebas Block-on-Ring se realizaron en entornos secos y lubricados para investigar el efecto sobre el comportamiento de desgaste. Las pruebas de lubricación se realizaron con aceite mineral pesado USP. La huella de desgaste se examinó utilizando el Perfilómetro 3D sin contacto. Los parámetros de la prueba 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 y s es la distancia de deslizamiento.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La figura 2 compara el coeficiente de fricción (COF) de las pruebas Block-on-Ring en entornos secos y lubricados. El bloque presenta una fricción significativamente mayor en un entorno seco que en uno 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 con lubricación con aceite mineral pesado USP muestra un COF bajo y constante de 0,09 a lo largo de la prueba de desgaste de 500 000 revoluciones. El lubricante reduce significativamente el COF entre las superficies en aproximadamente 90 veces.
Las figuras 3 y 4 muestran las imágenes ópticas y los perfiles transversales en 2D de las marcas de desgaste en los bloques tras las pruebas de desgaste en seco y lubricado. Los volúmenes de las marcas de desgaste y las tasas de desgaste se enumeran en la tabla 2. El bloque de acero tras la prueba de desgaste en seco a una velocidad de rotación inferior de 72 rpm durante 200 revoluciones presenta un gran volumen de marcas 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 huellas de desgaste sustancialmente menor, de 0,03 mm˙.
Las imágenes de la figura 3 muestran que durante las pruebas en condiciones secas se produce un desgaste severo en comparación con el desgaste leve de la prueba de desgaste lubricada. El calor elevado y las intensas vibraciones generadas durante la prueba de desgaste en seco favorecen la oxidación de los residuos metálicos, lo que da lugar a una abrasión severa entre tres cuerpos. En la prueba lubricada, el aceite mineral reduce la fricción y enfría la superficie de contacto, además de transportar los residuos abrasivos creados 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 diferentes entornos demuestra la importancia de una simulación adecuada del desgaste por deslizamiento en condiciones de servicio realistas.
El comportamiento frente al desgaste puede cambiar drásticamente cuando se introducen pequeños cambios en las condiciones de prueba. 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 un 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 y pruebas investiguen el desgaste en diferentes condiciones tribológicas.
El estado de la superficie de las muestras se examinó con el perfilómetro óptico sin contacto de Nanovea. La figura 5 muestra la morfología de la superficie de los anillos tras las pruebas de desgaste. Se ha eliminado la forma cilíndrica para presentar mejor la morfología y la rugosidad de la superficie creadas por el proceso de desgaste por deslizamiento. Se produjo un aumento significativo de la rugosidad de la superficie debido al proceso de abrasión de tres cuerpos durante la prueba de desgaste en seco de 200 revoluciones. El bloque y el anillo después de la prueba de desgaste en seco presentan una rugosidad Ra de 14,1 y 18,1 µm, respectivamente, en comparación con los 5,7 y 9,1 µm de la prueba de desgaste lubricado a largo plazo de 500 000 revoluciones a una velocidad más alta. Esta prueba demuestra la importancia de una lubricación adecuada del contacto entre el anillo del pistón y el cilindro. Un desgaste severo daña rápidamente la superficie de contacto sin lubricación y conduce a un deterioro irreversible de la calidad del servicio e incluso a 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 de metales de acero utilizando el módulo Block-on-Ring, siguiendo la norma ASTM G77. El lubricante desempeña un papel fundamental en las propiedades de desgaste del par 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 de desgaste en diversas condiciones de lubricación, alta temperatura y tribocorrosión.
El tribómetro de Nanovea ofrece pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión disponibles en un sistema preintegrado. La inigualable gama de Nanovea es una solución ideal para determinar todas las propiedades tribológicas de recubrimientos, películas y sustratos delgados o gruesos, blandos o duros.
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Análisis de materiales compuestos mediante perfilometría 3D
Importancia de la perfilometría sin contacto para materiales compuestos
Es fundamental minimizar los defectos para que los materiales compuestos sean lo más resistentes posible en aplicaciones de refuerzo. Al tratarse de un material anisotrópico, es fundamental que la dirección del tejido sea uniforme para mantener una alta previsibilidad del rendimiento. Los materiales compuestos tienen una de las relaciones resistencia/peso más altas, lo que los hace más resistentes que el acero en algunos casos. Es importante limitar la superficie expuesta de los compuestos para minimizar la vulnerabilidad química y los efectos de la expansión térmica. La inspección de la superficie mediante perfilometría es fundamental para el control de calidad de la producción de compuestos, a fin de garantizar un rendimiento sólido durante un largo periodo de servicio.
Nanovea Perfilómetro 3D sin contacto es diferente a otras técnicas de medición de superficies, como las sondas táctiles o la interferometría. Nuestros perfilómetros utilizan cromatismo axial para medir casi cualquier superficie y su estructura abierta permite analizar muestras de cualquier tamaño sin necesidad de preparación previa. Durante la medición del perfil de la superficie se obtienen mediciones desde nano hasta macro sin ninguna influencia de la reflectividad o absorción de la muestra. Nuestros perfilómetros miden fácilmente cualquier material: transparente, opaco, especular, difusivo, pulido y rugoso, con la capacidad avanzada de medir ángulos de superficie elevados sin manipulación de software. La técnica del perfilómetro sin contacto ofrece la capacidad ideal y fácil de usar para maximizar los estudios de la superficie de los materiales compuestos, junto con las ventajas de la capacidad combinada de 2D y 3D.
Objetivo de medición
El perfilómetro Nanovea HS2000L utilizado en esta aplicación midió la superficie de dos tejidos de compuestos de fibra de carbono. La rugosidad de la superficie, la longitud del tejido, la isotropía, el análisis fractal y otros parámetros superficiales se utilizan para caracterizar los compuestos. El área medida se seleccionó al azar y se consideró lo suficientemente grande como para poder comparar los valores de las propiedades utilizando el potente software de análisis de superficies de Nanovea.
Resultados y debate
Análisis de superficies
Los parámetros de altura determinan el grado de rugosidad de las piezas compuestas con una baja relación fibra/matriz. Nuestros resultados comparan diferentes tipos de tejido y telas para determinar el acabado superficial tras el procesamiento. El acabado superficial es fundamental en aplicaciones en las que interviene la aerodinámica.
Isotropía
La isotropía muestra la direccionalidad del tejido para determinar los valores esperados de las propiedades. Nuestro estudio muestra cómo el compuesto bidireccional es ~60% isotrópico, tal y como se esperaba. Por su parte, el compuesto unidireccional es ~13% isotrópico debido a la fuerte dirección de la trayectoria de la fibra única.
Análisis del tejido
El tamaño del tejido determina la consistencia del empaquetamiento y el ancho de las fibras utilizadas en el compuesto. Nuestro estudio muestra la facilidad con la que podemos medir el tamaño del tejido con una precisión de micras para garantizar la calidad de las piezas.
Análisis de textura
El análisis de la textura de la longitud de onda dominante sugiere que el tamaño de las hebras de ambos compuestos es de 4,27 micras de grosor. El análisis de la dimensión fractal de la superficie de la fibra determina la suavidad para averiguar la facilidad con la que las fibras se fijarán en una matriz. La dimensión fractal de la fibra unidireccional es mayor que la de la fibra bidireccional, lo que puede afectar al procesamiento de los compuestos.
Conclusión
En esta aplicación, hemos demostrado que el perfilómetro sin contacto Nanovea HS2000L caracteriza con precisión la superficie fibrosa de los materiales compuestos. Hemos distinguido las diferencias entre los tipos de tejido de la fibra de carbono con parámetros de altura, isotropía, análisis de textura y mediciones de distancia, entre otras muchas cosas.
Las mediciones superficiales de nuestro perfilómetro mitigan de forma precisa y rápida los daños en los compuestos, lo que reduce los defectos en las piezas y maximiza la capacidad de los materiales compuestos. La velocidad del perfilómetro 3D de Nanovea oscila entre <1 mm/s y 500 mm/s, lo que lo hace adecuado tanto para aplicaciones de investigación como para las necesidades de inspección a alta velocidad. El perfilómetro Nanovea es la solución.
para cualquier necesidad de medición compuesta.
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Evaluación de la dureza del tejido biológico mediante nanoindentación
Importancia de la nanoindentación de tejidos biológicos
Las pruebas mecánicas tradicionales (dureza, adhesión, compresión, perforación, límite elástico, etc.) requieren una mayor precisión y fiabilidad en los entornos actuales de control de calidad, con una amplia gama de materiales avanzados, desde tejidos hasta materiales frágiles. Los instrumentos mecánicos tradicionales no proporcionan el control de carga sensible y la resolución necesarios para los materiales avanzados. Los retos asociados a los biomateriales requieren el desarrollo de ensayos mecánicos capaces de controlar con precisión la carga en materiales extremadamente blandos. Estos materiales requieren cargas de ensayo muy bajas, inferiores a un mN, con un amplio rango de profundidad para garantizar una medición adecuada de las propiedades. Además, se pueden realizar muchos tipos diferentes de ensayos mecánicos en un solo sistema, lo que permite una mayor funcionalidad. Esto proporciona una serie de mediciones importantes sobre los biomateriales, como la dureza, el módulo de elasticidad, el módulo de pérdida y almacenamiento, y la fluencia, además de la resistencia al rayado y los puntos de fallo del límite elástico.
Objetivo de medición
En esta aplicación, se utiliza el comprobador mecánico de Nanovea en modo de nanoindentación para estudiar la dureza y el módulo de elasticidad de tres áreas distintas de un sustituto biomaterial en las regiones grasas, magras y oscuras del jamón serrano.
La nanoindentación se basa en las normas de indentación instrumentada ASTM E2546 e ISO 14577. Utiliza métodos establecidos en los que se introduce una punta de indentación de geometría conocida en un punto específico del material de ensayo con una carga normal creciente controlada. Cuando se alcanza una profundidad máxima preestablecida, la carga normal se reduce hasta que se produce una relajación completa. La carga se aplica mediante un actuador piezoeléctrico y se mide en un bucle controlado con una célula de carga de alta sensibilidad. Durante los experimentos, la posición del indentador con respecto a la superficie de la muestra se supervisa con un sensor capacitivo de alta precisión. Las curvas de carga y desplazamiento resultantes proporcionan datos específicos sobre la naturaleza mecánica del material sometido a ensayo. Los modelos establecidos calculan los valores cuantitativos de dureza y módulo con los datos medidos. La nanoindentación es adecuada para mediciones de baja carga y profundidad de penetración a escala nanométrica.
Resultados y debate
Las siguientes tablas presentan los valores medidos de dureza y módulo de Young con promedios y desviaciones estándar. Una rugosidad superficial elevada puede provocar grandes variaciones en los resultados debido al pequeño tamaño de la indentación.
La zona grasa tenía aproximadamente la mitad de la dureza de las zonas cárnicas. El tratamiento de la carne hizo que la zona cárnica más oscura fuera más dura que la zona cárnica clara. El módulo de elasticidad y la dureza están directamente relacionados con la textura en boca y la masticabilidad de las zonas grasas y cárnicas. La zona grasa y la zona cárnica clara siguen presentando una deformación continua a un ritmo mayor que la carne oscura después de 60 segundos.
Resultados detallados: grasa
Resultados detallados: carne magra
Resultados detallados: carne oscura
Conclusión
En esta aplicación, Nanovea's probador mecánico En modo de nanoindentación, determinó de manera confiable las propiedades mecánicas de las áreas de grasa y carne, superando la alta rugosidad de la superficie de la muestra. Esto demostró la amplia e inigualable capacidad del medidor mecánico de Nanovea. El sistema proporciona simultáneamente mediciones precisas de las propiedades mecánicas de materiales extremadamente duros y tejidos biológicos blandos.
La célula de carga en control de bucle cerrado con la mesa piezoeléctrica garantiza una medición precisa de materiales gelatinosos duros o blandos de 1 a 5 kPa. Con el mismo sistema, es posible someter a prueba biomateriales con cargas más elevadas, de hasta 400 N. La carga multiciclo se puede utilizar para pruebas de fatiga y se puede obtener información sobre la resistencia al rendimiento en cada zona utilizando una punta de diamante cilíndrica plana. Además, con el análisis mecánico dinámico (DMA), se pueden evaluar con gran precisión las propiedades viscoelásticas de pérdida y los módulos de almacenamiento utilizando el control de carga de bucle cerrado. También se pueden realizar pruebas a diferentes temperaturas y bajo líquidos en el mismo sistema.
El probador mecánico de Nanovea sigue siendo la herramienta más adecuada para aplicaciones biológicas y de polímeros blandos/geles.
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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, soldabilidad y 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 todo el ensayo 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 significativamente la vida útil de los equipos eléctricos en los que se utiliza el cable 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 a una carga de ~12,6 N. En comparación, la capa protectora del alambre B falló a 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 alambre 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 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 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.
Límite elástico y resistencia a la tracción del acero y el aluminio
Importancia de la medición del límite elástico y la resistencia a la tracción máxima mediante indentación
Tradicionalmente, el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima se han probado utilizando una gran máquina de ensayo de tracción que requiere una enorme fuerza para separar las muestras de ensayo. Es costoso y lleva mucho tiempo mecanizar adecuadamente muchas muestras de ensayo para un material en el que cada muestra solo se puede probar una vez. Los pequeños defectos en la muestra crean una variación notable en los resultados de las pruebas. Las diferentes configuraciones y alineaciones de los ensayos de tracción disponibles en el mercado a menudo dan lugar a variaciones sustanciales en la mecánica y los resultados de las pruebas.
El innovador método de indentación de Nanovea proporciona directamente valores de límite elástico y resistencia a la tracción máxima comparables a los valores medidos mediante ensayos de tracción convencionales. Esta medición abre un nuevo campo de posibilidades de ensayo para todas las industrias. La sencilla configuración experimental reduce significativamente el tiempo y el costo de preparación de las muestras en comparación con la compleja forma de las probetas que se requiere para los ensayos de tracción. Es posible realizar múltiples mediciones en una sola muestra con un tamaño de indentación pequeño. Esto evita la influencia de los defectos que se observan en las muestras de ensayo de tracción creados durante el mecanizado de las muestras. Las mediciones de YS y UTS en muestras pequeñas en un área localizada permiten la cartografía y la detección de defectos locales en tuberías o estructuras de automóviles.
Objetivo de medición
En esta aplicación, Nanovea Comprobador mecánico mide el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima de muestras de aleación metálica de acero inoxidable SS304 y aluminio Al6061. Las muestras se seleccionaron por sus valores de límite elástico y resistencia a la tracción máxima comúnmente reconocidos, lo que demuestra la fiabilidad de los métodos de indentación de Nanovea.
Procedimiento de ensayo y procedimientos
Las pruebas de límite elástico y resistencia a la tracción máxima se realizaron en el ensayador mecánico Nanovea en el Microindentación modo. Para esta aplicación se utilizó una punta de diamante cilíndrica plana de 200 μm de diámetro. Se seleccionaron las aleaciones SS304 y Al6061 por su amplia aplicación industrial y sus valores de límite elástico y resistencia a la tracción máximos comúnmente reconocidos, con el fin de demostrar el gran potencial y la fiabilidad del método de indentación. Las muestras se pulieron mecánicamente hasta obtener un acabado espejo antes de la prueba para evitar que la rugosidad de la superficie o los defectos influyeran en los resultados. Las condiciones de ensayo se enumeran en la tabla 1. Se realizaron más de diez ensayos con cada muestra para garantizar la repetibilidad de los valores de ensayo.
Resultados y debate
Las curvas de carga-desplazamiento de las muestras de aleación SS304 y Al6061 se muestran en la Figura 3 con las marcas del penetrador plano en las muestras de ensayo insertadas. El análisis de la curva de carga en forma de “S” mediante algoritmos especiales desarrollados por Nanovea calcula el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima. Los valores se calculan automáticamente mediante el software, tal y como se resume en la tabla 1. Se incluyen los valores del límite elástico y la resistencia a la tracción máxima obtenidos mediante ensayos de tracción convencionales a efectos comparativos.
Conclusión
En este estudio, mostramos la capacidad del Nanovea Mechanical Tester para evaluar el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima de muestras de láminas de acero inoxidable y aleación de aluminio. La sencilla configuración experimental reduce significativamente el tiempo y el costo de preparación de las muestras necesarios para los ensayos de tracción. El pequeño tamaño de la indentación permite realizar múltiples mediciones en una sola muestra. Este método permite realizar mediciones de YS/UTS en muestras pequeñas y áreas localizadas, lo que proporciona una solución para el mapeo de YS/UTS y la detección de defectos locales en tuberías o estructuras automotrices.
Los módulos Nano, Micro o Macro del Nanovea Mechanical Tester incluyen modos de ensayo de indentación, rayado y desgaste que cumplen con las normas ISO y ASTM, lo que proporciona la gama de ensayos más amplia y fácil de usar disponible en un solo sistema. La inigualable gama de Nanovea es la solución ideal para determinar todas las propiedades mecánicas de recubrimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros, incluyendo la dureza, el módulo de Young, la resistencia a la fractura, la adhesión, la resistencia al desgaste y muchas otras. Además, hay disponibles un perfilador 3D sin contacto y un módulo AFM opcionales para obtener imágenes 3D de alta resolución de la indentación, el rayado y el desgaste, además de otras mediciones de la superficie, como la rugosidad.
Tribología de carga dinámica
Tribología de carga dinámica
Introducción
El desgaste se produce prácticamente en todos los sectores industriales y supone un costo de aproximadamente 0,751 TP3T del PIB1. La investigación en tribología es fundamental para mejorar la eficiencia de la producción, el rendimiento de las aplicaciones y la conservación de los materiales, la energía y el medio ambiente. Las vibraciones y oscilaciones son inevitables en una amplia gama de aplicaciones tribológicas. Las vibraciones externas excesivas aceleran el proceso de desgaste y reducen el rendimiento del servicio, lo que provoca fallos catastróficos en las piezas mecánicas.
Los tribómetros de carga muerta convencionales aplican cargas normales mediante pesos. Esta técnica de carga no solo limita las opciones de carga a una carga constante, sino que también genera intensas vibraciones incontroladas a cargas y velocidades elevadas, lo que da lugar a evaluaciones del comportamiento de desgaste limitadas e inconsistentes. Es conveniente realizar una evaluación fiable del efecto de la oscilación controlada sobre el comportamiento de desgaste de los materiales para la investigación y el desarrollo y el control de calidad en diferentes aplicaciones industriales.
La innovadora alta carga de Nanovea tribómetro Tiene una capacidad de carga máxima de 2000 N con un sistema de control de carga dinámica. El avanzado sistema neumático de carga por aire comprimido permite a los usuarios evaluar el comportamiento tribológico de un material bajo cargas normales elevadas, con la ventaja de amortiguar las vibraciones no deseadas que se producen durante el proceso de desgaste. Por lo tanto, la carga se mide directamente sin necesidad de resortes amortiguadores utilizados en diseños más antiguos. Un módulo de carga oscilante electromagnético paralelo aplica una oscilación bien controlada de la amplitud deseada hasta 20 N y una 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 supervisa in situ, lo que proporciona información sobre la evolución del comportamiento de desgaste de las muestras de ensayo. El ensayo de desgaste bajo carga oscilante controlada también se puede realizar en entornos de corrosión, alta temperatura, humedad y lubricación para simular las condiciones de trabajo reales de las aplicaciones tribológicas. Una cámara de alta velocidad integrada perfilómetro sin contacto Mide automáticamente la morfología de la huella de desgaste y el volumen de desgaste en pocos 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 recubrimientos y metales en condiciones de carga oscilante controlada.
Procedimiento de ensayo
El comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción (COF) y la resistencia al desgaste de un recubrimiento resistente al desgaste de 300 µm de espesor, se evaluó y comparó mediante el tribómetro Nanovea T2000 con un tribómetro de carga muerta convencional utilizando una configuración de pin sobre disco según la norma ASTM G992.
Las muestras recubiertas con Cu y TiN por separado contra una bola de Al₂0₃ de 6 mm bajo oscilación controlada se evaluaron mediante el modo de tribología de carga dinámica del tribómetro Nanovea T2000.
Los parámetros de la prueba se resumen en la Tabla 1.
El perfilómetro 3D integrado, equipado con un sensor lineal, escanea automáticamente la huella 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 neumático frente a sistema de carga muerta
Se compara el comportamiento tribológico de un recubrimiento resistente al desgaste utilizando el tribómetro Nanovea T2000 con un tribómetro convencional de carga muerta (DL). La evolución del COF del recubrimiento se muestra en la figura 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 ubicaciones de la pista de desgaste de la figura 3 indican que el recubrimiento sufrió 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 superficie de contacto, combinada con una alta velocidad de deslizamiento, crea un peso y una vibración estructural considerables que aceleran el desgaste. El tribómetro de carga muerta convencional aplica la carga utilizando pesos de masa. Este método es fiable con cargas de contacto más bajas en condiciones de desgaste moderadas; sin embargo, en condiciones de desgaste agresivo con cargas y velocidades más altas, la vibración significativa hace que los pesos reboten repetidamente, lo que da lugar a una pista de desgaste irregular y a 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 control dinámico de carga para amortiguar las oscilaciones. Aplica la carga normal con aire comprimido, lo que minimiza las vibraciones no deseadas que se producen durante el proceso de desgaste. Además, el control activo de carga en bucle cerrado garantiza que se aplique una carga constante durante toda la prueba de desgaste y que el palpador siga el cambio de profundidad de la pista de desgaste. Se mide un perfil de pista de desgaste significativamente más consistente, como se muestra en la figura 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 huella de desgaste que se muestra en la figura 4 confirma que la prueba de desgaste realizada por el sistema de carga neumática de aire comprimido del tribómetro Nanovea T2000 crea una huella de desgaste más suave y uniforme en comparación con el tribómetro de carga muerta convencional. Además, el tribómetro Nanovea T2000 mide el desplazamiento del palpador durante el proceso de desgaste, lo que proporciona una visión más detallada del progreso del comportamiento del desgaste in situ.
Oscilación controlada sobre el desgaste de la muestra de cobre
El módulo electromagnético de carga oscilante paralela del tribómetro Nanovea T2000 permite a los usuarios investigar el efecto de las oscilaciones controladas de amplitud y frecuencia sobre el comportamiento de desgaste de los materiales. El COF de las muestras de cobre se registra in situ, como se muestra en la figura 6. La muestra de cobre presenta un COF constante de ~0,3 durante la primera medición de 330 revoluciones, lo que indica la formación de un contacto estable en la interfaz y una pista de desgaste relativamente suave. A medida que continúa la prueba de desgaste, la variación del COF indica un cambio en el mecanismo de desgaste. En comparación, las pruebas de desgaste bajo una oscilación controlada de 5 N de amplitud a 50 N muestran un comportamiento de desgaste diferente: el COF aumenta rápidamente al comienzo 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 influye en el estado de deslizamiento inestable en el contacto.
La figura 7 compara la morfología de la huella de desgaste medida por el perfilómetro óptico sin contacto integrado. Se puede observar que la muestra de Cu bajo una amplitud de oscilación controlada de 5 N presenta una huella de desgaste mucho mayor, con un volumen de 1,35 x 109 µm3, en comparación con los 5,03 x 108 µm3 sin oscilación impuesta. La oscilación controlada acelera significativamente la tasa de desgaste en un factor de ~2,7, lo que demuestra el efecto crítico de la oscilación en el comportamiento del desgaste.
Oscilación controlada sobre el desgaste del recubrimiento de TiN
El COF y las huellas de desgaste de la muestra con recubrimiento de TiN se muestran en la Fig. 8. El recubrimiento de TiN muestra comportamientos de desgaste significativamente diferentes bajo oscilación, como lo 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 comienzo de la prueba de desgaste, debido al contacto deslizante estable en la interfaz entre el recubrimiento de TiN y la bola de Al₂O₃. Sin embargo, cuando el recubrimiento de TiN comienza a fallar, la bola de Al₂O₃ penetra a través del recubrimiento y se desliza contra el sustrato de acero nuevo que se encuentra debajo. Al mismo tiempo, se genera una cantidad significativa de residuos del recubrimiento duro de TiN en la huella de desgaste, lo que convierte un desgaste por deslizamiento estable de dos cuerpos en un desgaste por abrasión de tres cuerpos. Este cambio en las características del par 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 recubrimiento de TiN de ~400 revoluciones a menos de 100 revoluciones. Las pistas de desgaste más grandes en las muestras de recubrimiento de TiN después de las pruebas de desgaste bajo la oscilación controlada concuerdan con dicho cambio en el COF.
Conclusión
El avanzado sistema de carga neumática del tribómetro Nanovea T2000 posee una ventaja intrínseca como amortiguador de vibraciones naturalmente rápido en comparación con los sistemas tradicionales de carga muerta. Esta ventaja tecnológica de los sistemas neumáticos es evidente en comparación con los sistemas de control de carga que utilizan una combinación de servomotores y resortes para aplicar la carga. La tecnología garantiza una evaluación del desgaste fiable y mejor controlada con cargas elevadas, como se demuestra en este estudio. Además, el sistema de carga de bucle cerrado activo puede cambiar la carga normal a un valor deseado durante las pruebas de desgaste para simular aplicaciones reales observadas en los sistemas de frenos.
En lugar de sufrir la influencia de condiciones de vibración incontroladas durante las pruebas, hemos demostrado que el tribómetro de carga dinámica Nanovea T2000 permite a los usuarios evaluar cuantitativamente el comportamiento tribológico de los materiales en diferentes condiciones de oscilación controladas. Las vibraciones desempeñan un papel importante en el comportamiento de desgaste de las muestras de recubrimientos metálicos y cerámicos.
El módulo de carga oscilante con electroimán paralelo proporciona oscilaciones controladas con precisión a amplitudes y frecuencias establecidas, lo que permite a los usuarios simular el proceso de desgaste en condiciones reales, en las que las vibraciones ambientales suelen ser un factor importante. En presencia de oscilaciones impuestas durante el desgaste, tanto las muestras con recubrimiento de Cu como las de TiN muestran un aumento sustancial de la tasa de desgaste. La evolución del coeficiente de fricción y el desplazamiento del palpador medidos in situ son indicadores importantes del rendimiento del material durante las aplicaciones tribológicas. El perfilómetro 3D sin contacto integrado ofrece una herramienta para medir con precisión el volumen de desgaste y analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste en segundos, lo que proporciona una mayor comprensión 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 un rango inigualable de velocidades de rotación, desde 0,01 hasta 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 con precisión y por separado las fuerzas de fricción.
Los tribómetros Nanovea ofrecen pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con las normas ISO y ASTM (incluidas pruebas de 4 bolas, arandelas de empuje y bloques sobre anillos), con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión disponibles en un sistema preintegrado. La inigualable gama de Nanovea T2000 es una solución ideal para determinar todas las propiedades tribológicas de recubrimientos, películas y sustratos delgados o gruesos, blandos o duros.
