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Archivio mensile: Dicembre 2020

Misura dell'usura in situ ad alta temperatura

MISURAZIONE DELL'USURA IN SITU AD ALTA TEMPERATURA

UTILIZZANDO IL TRIBOMETRO

MISURA DELL'USURA IN-SITU Tribometro aerospaziale

Preparato da

Duanjie Li, PhD

INTRODUZIONE

Il trasformatore differenziale variabile lineare (LVDT) è un tipo di trasformatore elettrico robusto utilizzato per misurare lo spostamento lineare. È stato ampiamente utilizzato in una varietà di applicazioni industriali, tra cui turbine di potenza, idraulica, automazione, aerei, satelliti, reattori nucleari e molte altre.

In questo studio presentiamo i componenti aggiuntivi di LVDT e moduli ad alta temperatura di NANOVEA Tribometro che consentono di misurare la variazione della profondità della traccia di usura del campione testato durante il processo di usura a temperature elevate. Ciò consente agli utenti di correlare le diverse fasi del processo di usura con l’evoluzione del COF, che è fondamentale per migliorare la comprensione fondamentale del meccanismo di usura e delle caratteristiche tribologiche dei materiali per applicazioni ad alta temperatura.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio vogliamo illustrare la capacità del Tribometro NANOVEA T50 di monitorare in situ l'evoluzione del processo di usura dei materiali a temperature elevate.

Il processo di usura della ceramica di silicato di allumina a diverse temperature viene simulato in modo controllato e monitorato.

NANOVEA

T50

PROCEDURA DI PROVA

Il comportamento tribologico, ad esempio il coefficiente di attrito, COF, e la resistenza all'usura delle piastre ceramiche di silicato di allumina sono stati valutati con il tribometro NANOVEA. Le piastre in ceramica di silicato di allumina sono state riscaldate in un forno da temperatura ambiente (RT) a temperature elevate (400°C e 800°C), seguite da test di usura a tali temperature. 

Per confronto, le prove di usura sono state eseguite quando il campione si è raffreddato da 800°C a 400°C e poi a temperatura ambiente. Una punta a sfera di AI2O3 (diametro 6 mm, grado 100) è stata applicata ai campioni testati. La COF, la profondità di usura e la temperatura sono state monitorate in situ.

PARAMETRI DEL TEST

della misura pin-on-disk

Tribometro LVDT Campione

Il tasso di usura, K, è stato valutato utilizzando la formula K=V/(Fxs)=A/(Fxn), dove V è il volume usurato, F è il carico normale, s è la distanza di scorrimento, A è l'area della sezione trasversale della pista di usura e n è il numero di giri. La rugosità superficiale e i profili delle tracce di usura sono stati valutati con il profilatore ottico NANOVEA e la morfologia delle tracce di usura è stata esaminata con un microscopio ottico.

RISULTATI E DISCUSSIONE

La COF e la profondità della traccia di usura registrate in situ sono mostrate rispettivamente in FIGURA 1 e FIGURA 2. In FIGURA 1, "-I" indica il test eseguito quando la temperatura è stata aumentata da RT a una temperatura elevata. "-D" rappresenta la diminuzione della temperatura a partire da una temperatura elevata di 800°C.

Come mostrato in FIGURA 1, i campioni testati a diverse temperature presentano un COF comparabile di ~0,6 durante tutte le misurazioni. Un COF così elevato porta a un processo di usura accelerato che crea una quantità sostanziale di detriti. La profondità della traccia di usura è stata monitorata durante le prove di usura mediante LVDT, come illustrato in FIGURA 2. I test eseguiti a temperatura ambiente prima del riscaldamento del campione e dopo il raffreddamento del campione mostrano che la piastra in ceramica di silicato di allumina mostra un processo di usura progressivo a RT, la profondità della traccia di usura aumenta gradualmente durante il test di usura fino a ~170 e ~150 μm, rispettivamente. 

In confronto, le prove di usura a temperature elevate (400°C e 800°C) mostrano un comportamento diverso: la profondità della traccia di usura aumenta rapidamente all'inizio del processo di usura e rallenta con il proseguire della prova. Le profondità delle tracce di usura per le prove eseguite alle temperature di 400°C-I, 800°C e 400°C-D sono rispettivamente di ~140, ~350 e ~210 μm.

COF durante i test pin-on-desk a diverse temperature

FIGURA 1. Coefficiente di attrito durante i test pin-on-disk a diverse temperature

Profondità della traccia di usura della piastra ceramica di silicato di allumina a diverse temperature

FIGURA 2. Evoluzione della profondità della traccia di usura della piastra ceramica di silicato di allumina a diverse temperature

La velocità media di usura e la profondità della traccia di usura delle piastre ceramiche di silicato di allumina a diverse temperature sono state misurate utilizzando NANOVEA Optical Profiler come riassunto in FIGURA 3. La profondità della traccia di usura è in accordo con quella registrata con LVDT. La piastra in ceramica di silicato di allumina mostra un tasso di usura sostanzialmente aumentato, pari a ~0,5 mm3/Nm a 800°C, rispetto ai tassi di usura inferiori a 0,2mm3/N a temperature inferiori a 400°C. La piastra in ceramica di silicato di allumina non mostra proprietà meccaniche/tribologiche significativamente migliorate dopo il breve processo di riscaldamento, possedendo un tasso di usura comparabile prima e dopo il trattamento termico.

La ceramica di silicato di allumina, nota anche come pietra lavica e pietra delle meraviglie, è morbida e lavorabile prima del trattamento termico. Un lungo processo di cottura a temperature elevate, fino a 1093°C, può aumentarne sostanzialmente la durezza e la resistenza, dopodiché è necessaria la lavorazione al diamante. Questa caratteristica unica rende la ceramica di silicato di allumina un materiale ideale per la scultura.

In questo studio, dimostriamo che il trattamento termico a una temperatura inferiore a quella richiesta per la cottura (800°C contro 1093°C) in tempi brevi non migliora le caratteristiche meccaniche e tribologiche della ceramica di silicato di allumina, rendendo la corretta cottura un processo essenziale per questo materiale prima del suo utilizzo nelle applicazioni reali.

 
Tasso di usura e profondità della traccia di usura del campione a diverse temperature 1

FIGURA 3. Tasso di usura e profondità della traccia di usura del campione a diverse temperature

CONCLUSIONE

Sulla base dell'analisi tribologica completa di questo studio, dimostriamo che la piastra in ceramica di silicato di allumina presenta un coefficiente di attrito comparabile a diverse temperature, dalla temperatura ambiente a 800°C. Tuttavia, mostra un tasso di usura sostanzialmente aumentato, pari a ~0,5 mm3/Nm a 800°C, dimostrando l'importanza di un adeguato trattamento termico di questa ceramica.

I tribometri NANOVEA sono in grado di valutare le proprietà tribologiche dei materiali per applicazioni ad alte temperature, fino a 1000°C. La funzione di misurazione in situ della COF e della profondità della traccia di usura consente agli utenti di correlare le diverse fasi del processo di usura con l'evoluzione della COF, che è fondamentale per migliorare la comprensione fondamentale del meccanismo di usura e delle caratteristiche tribologiche dei materiali utilizzati a temperature elevate.

I tribometri NANOVEA offrono test di usura e attrito precisi e ripetibili utilizzando modalità rotative e lineari conformi alle norme ISO e ASTM, con moduli opzionali per l'usura ad alta temperatura, la lubrificazione e la tribocorrosione disponibili in un unico sistema pre-integrato. La gamma impareggiabile di NANOVEA è la soluzione ideale per determinare l'intera gamma di proprietà tribologiche di rivestimenti, film e substrati sottili o spessi, morbidi o duri.

Sono disponibili profilatori 3D senza contatto opzionali per l'acquisizione di immagini 3D ad alta risoluzione delle tracce di usura, oltre ad altre misure di superficie come la rugosità.

MISURA DELL'USURA IN SITU

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Analisi della superficie delle scaglie di pesce mediante profilatore ottico 3D

Analisi della superficie delle scaglie di pesce mediante profilatore ottico 3D

Per saperne di più

ANALISI DELLA SUPERFICIE DELLE SCAGLIE DI PESCE

utilizzando il PROFILATORE OTTICO 3D

Profilometro a squame di pesce

Preparato da

Andrea Novitsky

INTRODUZIONE

La morfologia, i modelli e altre caratteristiche di una squama di pesce vengono studiati utilizzando NANOVEA Profilatore ottico 3D senza contatto. La natura delicata di questo campione biologico, insieme alle sue scanalature molto piccole e ad alto angolo, evidenzia anche l'importanza della tecnica senza contatto del profilatore. I solchi sulla squama sono chiamati circuli, e possono essere studiati per stimare l'età del pesce, e anche per distinguere periodi di diverso ritmo di crescita, simili agli anelli di un albero. Si tratta di informazioni molto importanti per la gestione delle popolazioni ittiche selvatiche al fine di prevenire la pesca eccessiva.

Importanza della profilometria 3D senza contatto per gli studi biologici

A differenza di altre tecniche come le sonde a contatto o l'interferometria, il profilatore ottico 3D senza contatto, utilizzando il cromatismo assiale, può misurare quasi tutte le superfici. Le dimensioni dei campioni possono variare notevolmente grazie alla messa in scena aperta e non è necessaria alcuna preparazione del campione. Le caratteristiche da nano a macro gamma sono ottenute durante la misurazione del profilo della superficie senza alcuna influenza da parte della riflettività o dell'assorbimento del campione. Lo strumento offre una capacità avanzata di misurare angoli di superficie elevati senza manipolazione dei risultati da parte del software. È possibile misurare facilmente qualsiasi materiale, sia esso trasparente, opaco, speculare, diffusivo, lucido o ruvido. La tecnica offre una capacità ideale, ampia e facile da usare per massimizzare gli studi sulle superfici, insieme ai vantaggi delle capacità combinate 2D e 3D.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, presentiamo NANOVEA ST400, un profilatore 3D senza contatto con un sensore ad alta velocità, che fornisce un'analisi completa della superficie di una scala.

Lo strumento è stato utilizzato per scansionare l'intero campione, insieme a una scansione a più alta risoluzione dell'area centrale. Per il confronto è stata misurata anche la rugosità della superficie esterna e interna della scala.

NANOVEA

ST400

Caratterizzazione superficiale 3D e 2D della scala esterna

La vista 3D e la vista a falsi colori della scala esterna mostrano una struttura complessa simile a un'impronta digitale o agli anelli di un albero. Ciò fornisce agli utenti uno strumento immediato per osservare direttamente la caratterizzazione della superficie della squama da diverse angolazioni. Vengono mostrate diverse altre misure della scala esterna e il confronto tra il lato esterno e quello interno della scala.

Profilometro 3D con scansione a scala di pesce
Profilometro 3D a scala di pesce
Profilatore ottico 3D ad altezza di passo per la scansione a scala di pesce

CONFRONTO DELLA RUGOSITÀ SUPERFICIALE

Profilometro a scala di pesce Scansione 3D

CONCLUSIONE

In questa applicazione, abbiamo mostrato come il profilatore ottico senza contatto NANOVEA 3D possa caratterizzare una squama di pesce in vari modi. 

Le superfici esterne e interne della squama possono essere facilmente distinte dalla sola rugosità superficiale, con valori di rugosità rispettivamente di 15,92μm e 1,56μm. Inoltre, è possibile ottenere informazioni precise e accurate su una squama di pesce analizzando i solchi, o circoli, sulla superficie esterna della squama. Sono state misurate le distanze delle bande di circoli dal centro focale e l'altezza dei circoli è risultata essere in media di circa 58μm. 

I dati qui riportati rappresentano solo una parte dei calcoli disponibili nel software di analisi.

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