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Medición in situ del desgaste a alta temperatura

MEDICIÓN DEL DESGASTE IN SITU A ALTA TEMPERATURA

UTILIZANDO UN TRIBÓMETRO

MEDICIÓN DEL DESGASTE IN SITU Tribómetro aeroespacial

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

Tribómetro LVDT Muestra

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.

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

FIGURA 1. Coeficiente de fricción durante los ensayos pin-disk a diferentes temperaturas

Profundidad de la huella de desgaste de la placa cerámica de silicato de alúmina a diferentes temperaturas

FIGURA 2. Evolución de la profundidad de la huella de desgaste de la placa cerámica de silicato de alúmina a diferentes temperaturas

La 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.

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

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

CONCLUSIÓN

Basándonos en el 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.

MEDICIÓN DEL DESGASTE IN SITU

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