TEST DI USURA DEL RIVESTIMENTO IN PTFE

UTILIZZO DI TRIBOMETRO E TESTER MECCANICO

Preparato da

DUANJIE LI, PhD

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, il processo di usura di un rivestimento in PTFE per una padella antiaderente viene simulato utilizzando il tribometro NANOVEA in modalità lineare alternata.

NANOVEA T50 compatto
Tribometro a peso libero

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Inoltre, il tester meccanico NANOVEA è stato utilizzato per eseguire un test di adesione a micrograffi per determinare il carico critico del fallimento dell'adesione del rivestimento in PTFE.

NANOVEA PB1000 Piattaforma grande Collaudatore meccanico

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RISULTATI E DISCUSSIONE

USURA LINEARE RECIPROCA MEDIANTE TRIBOMETRO

Il COF registrato in situ è mostrato nella FIGURA 1. Il campione di prova ha mostrato un COF di ~0,18 durante i primi 130 giri, a causa della bassa appiccicosità del PTFE. Tuttavia, si è verificato un improvviso aumento del COF fino a ~1 una volta che il rivestimento si è rotto, rivelando il substrato sottostante. Dopo i test di movimento alternativo lineare, il profilo della pista di usura è stato misurato utilizzando NANOVEA Profilometro ottico senza contatto, come mostrato nella FIGURA 2. Dai dati ottenuti, il tasso di usura corrispondente è stato calcolato in ~2,78 × 10-3 mm3/Nm, mentre la profondità della traccia di usura è stata determinata in 44,94 µm.

Configurazione del test di usura del rivestimento in PTFE sul tribometro NANOVEA T50.

FIGURA 1: Evoluzione della COF durante il test di usura del rivestimento in PTFE.

FIGURA 2: Estrazione di tracce di usura in PTFE.

PTFE Prima della rottura

COF massimo	0.217
Min COF	0.125
Media COF	0.177

PTFE Dopo la rottura

COF massimo	0.217
Min COF	0.125
Media COF	0.177

TABELLA 1: COF prima e dopo la rottura durante il test di usura.

RISULTATI E DISCUSSIONE

TEST DI ADESIONE AL MICROGRAFFIO CON TESTER MECCANICO

L'adesione del rivestimento in PTFE al substrato è stata misurata mediante test di graffiatura con uno stilo diamantato da 200 µm. La micrografia è mostrata in FIGURA 3 e FIGURA 4, l'evoluzione della COF e la profondità di penetrazione in FIGURA 5. I risultati dei test di graffio del rivestimento in PTFE sono riassunti nella TABELLA 4. All'aumentare del carico sullo stilo diamantato, questo è penetrato progressivamente nel rivestimento, con conseguente aumento della COF. Quando è stato raggiunto un carico di ~8,5 N, si è verificata la rottura del rivestimento e l'esposizione del substrato ad alta pressione, che ha portato a un COF elevato di ~0,3. Il basso St Dev riportato nella TABELLA 2 dimostra la ripetibilità del test di graffiatura del rivestimento in PTFE condotto con il tester meccanico NANOVEA.

FIGURA 3: Micrografia del graffio completo su PTFE (10X).

FIGURA 4: Micrografia del graffio completo su PTFE (10X).

FIGURA 5: Grafico dell'attrito che mostra la linea del punto critico di rottura per il PTFE.

Graffio	Punto di guasto [N]	Forza di attrito [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

TABELLA 2: Riepilogo del carico critico, della forza di attrito e della COF durante la prova di graffiatura.

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CINGHIE IN POLIMERO

USURA E FRITTURA CON UN TRIBOMETRO

Preparato da

DUANJIE LI, PhD

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio abbiamo simulato e confrontato il comportamento all'usura di cinghie con diverse texture superficiali per mostrare la capacità del NANOVEA Il tribometro T2000 simula il processo di usura del nastro in modo controllato e monitorato.

NANOVEA

T2000

SAPERNE DI PIÙ

FIGURA 1 mostra l'evoluzione del COF delle cinghie durante i test di usura. Le cinghie con texture diverse mostrano comportamenti di usura sostanzialmente diversi. È interessante notare che dopo il periodo di rodaggio, durante il quale il COF aumenta progressivamente, il nastro testurizzato raggiunge un COF inferiore, pari a ~0,5, in entrambe le prove condotte con carichi di 10 N e 100 N. In confronto, il nastro liscio testato con un carico di 10 N mostra un COF significativamente più alto, pari a ~1,4, quando il COF si stabilizza e si mantiene al di sopra di questo valore per il resto della prova. La cinghia liscia testata con un carico di 100 N è stata rapidamente consumata dalla sfera in acciaio 440 e ha formato un'ampia traccia di usura. La prova è stata quindi interrotta a 220 giri.

FIGURA 1: Evoluzione della COF dei nastri a diversi carichi.

La FIGURA 2 confronta le immagini 3D delle tracce di usura dopo i test a 100 N. Il profilometro 3D senza contatto NANOVEA offre uno strumento per analizzare la morfologia dettagliata delle tracce di usura, fornendo maggiori informazioni sulla comprensione fondamentale del meccanismo di usura.

TABELLA 1: Risultato dell'analisi delle tracce di usura.

FIGURA 2:  Vista 3D dei due nastri
dopo le prove a 100 N.

FIGURA 3:  Tracce di usura al microscopio ottico.

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TEST DI USURA DEI PISTONIUTILIZZANDO IL TRIBOMETRO NANOVEA

Preparato da

FRANK LIU

Che cos'è il test di usura dei pistoni?

I test di usura dei pistoni valutano l'attrito, la lubrificazione e la durata dei materiali tra le camicie dei pistoni e le canne dei cilindri in condizioni controllate di laboratorio. Utilizzando un tribometro, Gli ingegneri possono replicare il movimento alternativo reale e misurare con precisione il coefficiente di attrito, il tasso di usura e la topografia superficiale 3D. Questi risultati forniscono indicazioni fondamentali sul comportamento tribologico di rivestimenti, lubrificanti e leghe utilizzati nei pistoni dei motori, contribuendo a ottimizzare le prestazioni, l'efficienza dei consumi e l'affidabilità a lungo termine.

 Schema del sistema dei cilindri di potenza e delle interfacce gonna del pistone-lubrificante-camicia del cilindro.

Modulo liquido sul tribometro NANOVEA T2000

Il modulo goccia a goccia è fondamentale per questo studio. Poiché i pistoni possono muoversi a una velocità molto elevata (superiore a 3.000 giri/min), è difficile creare un sottile film di lubrificante immergendo il campione. Per ovviare a questo problema, il modulo goccia a goccia è in grado di applicare in modo costante una quantità di lubrificante sulla superficie della gonna del pistone.

L'applicazione di un lubrificante fresco elimina anche il rischio che i contaminanti dell'usura possano influenzare le proprietà del lubrificante.

Come simulano i tribometri
Usura reale della camicia del pistone

In questa relazione verranno studiate le interfacce gonna del pistone-lubrificante-camicia del cilindro. Le interfacce saranno riprodotte conducendo una prova di reciprocità lineare. test di usura con modulo di lubrificazione goccia a goccia.

Il lubrificante sarà applicato a temperatura ambiente e in condizioni di riscaldamento per confrontare le condizioni di avviamento a freddo e di funzionamento ottimale. Il COF e il tasso di usura saranno osservati per capire meglio come si comportano le interfacce nelle applicazioni reali.

NANOVEA T2000
Tribometro ad alto carico

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In questo esperimento è stato utilizzato l'A5052 come materiale di contrasto. Mentre i blocchi motore sono solitamente realizzati in alluminio fuso come l'A356, l'A5052 ha proprietà meccaniche simili all'A356 per questa prova simulativa [1].

Nelle condizioni di prova, è stata osservata un'usura significativa sulla gonna del pistone a temperatura ambiente rispetto a quella a 90°C. I graffi profondi osservati sui campioni suggeriscono che il contatto tra il materiale statico e la gonna del pistone avviene frequentemente durante il test. L'elevata viscosità a temperatura ambiente potrebbe impedire all'olio di riempire completamente gli spazi vuoti alle interfacce e di creare un contatto metallo-metallo. A temperature più elevate, l'olio si assottiglia e riesce a scorrere tra lo spinotto e il pistone. Di conseguenza, a temperature più elevate si osserva un'usura significativamente minore. La FIGURA 5 mostra che un lato della cicatrice da usura si è consumato molto meno dell'altro. Ciò è probabilmente dovuto alla posizione dell'uscita dell'olio. Lo spessore del film di lubrificante era maggiore su un lato rispetto all'altro, causando un'usura non uniforme.

[1] “Alluminio 5052 vs alluminio 356.0”. MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum

Il COF dei test tribologici lineari alternativi può essere suddiviso in un passaggio alto e un passaggio basso. Il passaggio alto si riferisce al campione che si muove in avanti, o in senso positivo, mentre il passaggio basso si riferisce al campione che si muove in senso inverso, o in senso negativo. La COF media per l'olio RT è stata osservata inferiore a 0,1 in entrambe le direzioni. I COF medi tra le passate sono stati di 0,072 e 0,080. Il COF medio dell'olio a 90°C è risultato diverso tra le passate. Sono stati osservati valori medi di COF pari a 0,167 e 0,09. La differenza di COF dimostra ulteriormente che l'olio è riuscito a bagnare correttamente solo un lato del perno. Si è ottenuto un COF elevato quando si è formato un film spesso tra lo spinotto e la gonna del pistone, a causa della lubrificazione idrodinamica. Si osserva un COF più basso nell'altra direzione quando si verifica una lubrificazione mista. Per ulteriori informazioni sulla lubrificazione idrodinamica e sulla lubrificazione mista, visitate la nostra nota applicativa su Curve di Stribeck.

Tabella 1: Risultati del test di usura lubrificata sui pistoni.

FIGURA 1: Grafici COF per il test di usura dell'olio a temperatura ambiente A profilo grezzo B passaggio alto C passaggio basso.

FIGURA 2: Grafici COF per il test dell'olio di usura a 90°C A profilo grezzo B passaggio alto C passaggio basso.

FIGURA 3: Immagine ottica della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore RT.

FIGURA 4: Volume di un foro per l'analisi della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore RT.

FIGURA 5: Scansione profilometrica della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore RT.

FIGURA 6: Immagine ottica di una cicatrice da usura da un test di usura dell'olio motore a 90°C

FIGURA 7: Volume di un foro per l'analisi della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore a 90°C.

FIGURA 8: Scansione profilometrica della cicatrice da usura del test di usura dell'olio motore a 90°C.

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VALUTAZIONE DELL'USURA DA FRETTING

Autore:

Duanjie Li, PhD

Revisionato da

Jocelyn Esparza

INTRODUZIONE

Il fretting è "uno speciale processo di usura che si verifica nell'area di contatto tra due materiali sotto carico e soggetti a un minimo movimento relativo a causa di vibrazioni o di altre forze". Quando le macchine sono in funzione, le vibrazioni si verificano inevitabilmente nelle giunzioni imbullonate o fissate, tra componenti che non sono destinati a muoversi e in accoppiamenti e cuscinetti oscillanti. L'ampiezza di questi movimenti di scorrimento relativo è spesso dell'ordine dei micrometri o dei millimetri. Questo movimento ripetitivo a bassa ampiezza causa una grave usura meccanica localizzata e il trasferimento di materiale sulla superficie, che può portare a una riduzione dell'efficienza produttiva, delle prestazioni della macchina o addirittura al suo danneggiamento.

Importanza del metodo quantitativo
Valutazione dell'usura da sfregamento

L'usura da sfregamento spesso coinvolge diversi meccanismi di usura complessi che hanno luogo sulla superficie di contatto, tra cui l'abrasione a due corpi, l'adesione e/o l'usura da fatica da sfregamento. Per comprendere il meccanismo dell'usura da sfregamento e selezionare il materiale migliore per la protezione dall'usura da sfregamento, è necessaria una valutazione affidabile e quantitativa dell'usura da sfregamento. Il comportamento all'usura da sfregamento è influenzato in modo significativo dall'ambiente di lavoro, come l'ampiezza dello spostamento, il carico normale, la corrosione, la temperatura, l'umidità e la lubrificazione. Un versatile tribometro in grado di simulare le diverse condizioni di lavoro realistiche sarà ideale per la valutazione dell'usura da sfregamento.

Steven R. Lampman, Manuale ASM: Volume 19: Fatica e frattura
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio abbiamo valutato il comportamento dell'usura da fretting di un campione di acciaio inossidabile SS304 a diverse velocità di oscillazione e temperature per mostrare la capacità di NANOVEA T50 Il tribometro simula il processo di usura da fretting del metallo in modo controllato e monitorato.

NANOVEA

T50

CONDIZIONI DI PROVA

La resistenza all'usura da fretting di un campione di acciaio inossidabile SS304 è stata valutata da NANOVEA Tribometro con modulo di usura lineare a rotazione. Come materiale di contrasto è stata utilizzata una sfera di WC (diametro 6 mm). La traccia di usura è stata esaminata utilizzando un NANOVEA Profilatore 3D senza contatto. 

La prova di fretting è stata eseguita a temperatura ambiente (RT) e a 200 °C per studiare l'effetto dell'alta temperatura sulla resistenza all'usura da fretting del campione SS304. Una piastra riscaldante sullo stadio del campione ha riscaldato il campione durante la prova di fretting a 200 °C. Il tasso di usura, Kè stato valutato con la formula K=V/(F×s), dove V è il volume consumato, F è il carico normale e s è la distanza di scorrimento.

Si noti che in questo studio è stata utilizzata come esempio una sfera di WC come materiale di contrasto. È possibile applicare qualsiasi materiale solido con forme e finiture superficiali diverse utilizzando un dispositivo personalizzato per simulare la situazione applicativa reale.

PARAMETRI DEL TEST

delle misure di usura

RISULTATI E DISCUSSIONE

Il profilo 3D della pista d'usura consente di determinare direttamente e con precisione la perdita di volume della pista d'usura calcolata con il metodo del NANOVEA Software di analisi delle montagne. 

Il test di usura reciproca a bassa velocità di 100 giri/min e a temperatura ambiente mostra una piccola traccia di usura di 0,014 mm.³. In confronto, il test di usura da fretting eseguito ad una velocità elevata di 1000 giri/min crea una traccia di usura sostanzialmente più grande, con un volume di 0,12 mm.³Questo processo di usura accelerata può essere attribuito all'elevato calore e alle intense vibrazioni generate durante la prova di usura per fretting, che favoriscono l'ossidazione dei detriti metallici e provocano una forte abrasione a tre corpi. Il test di usura per fretting ad una temperatura elevata di 200 °C forma una traccia di usura più grande di 0,27 mm³.

Il test di usura da fretting a 1000 giri/min ha un tasso di usura di 1,5×10^-4 mm³/Nm, che è quasi nove volte superiore a quello della prova di usura alternata a 100 giri/min. Il test di usura per fretting a una temperatura elevata accelera ulteriormente il tasso di usura a 3,4×10^-4 mm³/Nm. Una differenza così significativa nella resistenza all'usura misurata a velocità e temperature diverse dimostra l'importanza di una corretta simulazione dell'usura da fretting per applicazioni realistiche.

Il comportamento all'usura può cambiare drasticamente quando si introducono nel tribosistema piccole variazioni nelle condizioni di prova. La versatilità del NANOVEA Il tribometro consente di misurare l'usura in diverse condizioni, tra cui alta temperatura, lubrificazione, corrosione e altre. L'accurato controllo della velocità e della posizione da parte del motore avanzato consente agli utenti di eseguire il test di usura a velocità comprese tra 0,001 e 5000 giri/minuto, rendendolo uno strumento ideale per i laboratori di ricerca/test per studiare l'usura da fretting in diverse condizioni tribologiche.

Tracce di usura da sfregamento in varie condizioni

al microscopio ottico

PROFILI 3D DEI TRACCIATI D'USURA

fornire maggiori informazioni sulla comprensione dei fondamenti
del meccanismo di usura da fretting

CONCLUSIONE

In questo studio, abbiamo dimostrato la capacità della NANOVEA Tribometro per valutare il comportamento dell'usura da fretting di un campione di acciaio inossidabile SS304 in modo ben controllato e quantitativo. 

La velocità e la temperatura del test giocano un ruolo fondamentale nella resistenza all'usura da fretting dei materiali. L'elevato calore e le intense vibrazioni durante il fretting hanno determinato un'usura sostanzialmente accelerata del campione SS304 di quasi nove volte. La temperatura elevata di 200 °C ha ulteriormente aumentato il tasso di usura a 3,4×10^-4 mm³/Nm. 

La versatilità del NANOVEA Il tribometro è uno strumento ideale per misurare l'usura da sfregamento in varie condizioni, tra cui alta temperatura, lubrificazione, corrosione e altre.

NANOVEA I tribometri 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 nostra gamma impareggiabile è la soluzione ideale per determinare l'intera gamma di proprietà tribologiche di rivestimenti, film e substrati sottili o spessi, morbidi o duri.

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INTRODUZIONE

Un cuscinetto a sfere utilizza sfere per ridurre l'attrito rotazionale e supportare carichi radiali e assiali. Le sfere che rotolano tra le piste dei cuscinetti producono un coefficiente di attrito (COF) molto più basso rispetto a due superfici piane che scorrono l'una contro l'altra. I cuscinetti a sfere sono spesso esposti a livelli elevati di stress da contatto, usura e condizioni ambientali estreme come le alte temperature. Pertanto, la resistenza all'usura delle sfere sotto carichi elevati e condizioni ambientali estreme è fondamentale per prolungare la durata del cuscinetto a sfere e ridurre costi e tempi di riparazioni e sostituzioni.
I cuscinetti a sfere si trovano in quasi tutte le applicazioni che coinvolgono parti in movimento. Sono comunemente utilizzati nei settori dei trasporti come quello aerospaziale e automobilistico, nonché nell'industria dei giocattoli che produce articoli come fidget spinner e skateboard.

VALUTAZIONE DELL'USURA DEI CUSCINETTI A SFERE CON CARICHI ELEVATI

I cuscinetti a sfere possono essere realizzati da un ampio elenco di materiali. I materiali comunemente utilizzati vanno dai metalli come l'acciaio inossidabile e l'acciaio al cromo o dalla ceramica come il carburo di tungsteno (WC) e il nitruro di silicio (Si3n4). Per garantire che i cuscinetti a sfere prodotti possiedano la resistenza all'usura richiesta, ideale per le condizioni dell'applicazione data, sono necessarie valutazioni tribologiche affidabili sotto carichi elevati. I test tribologici aiutano a quantificare e confrontare i comportamenti di usura dei diversi cuscinetti a sfere in modo controllato e monitorato per selezionare il miglior candidato per l'applicazione mirata.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio, mostriamo una Nanovea Tribometro come strumento ideale per confrontare la resistenza all'usura di diversi cuscinetti a sfere sottoposti a carichi elevati.

Figura 1: Impostazione della prova dei cuscinetti.

PROCEDURA DI PROVA

Il coefficiente di attrito, COF e la resistenza all'usura dei cuscinetti a sfera realizzati in diversi materiali sono stati valutati mediante un tribometro Nanovea. Come materiale di supporto è stata utilizzata carta vetrata a grana P100. I segni di usura dei cuscinetti a sfera sono stati esaminati utilizzando a Nanovea Profiler 3D senza contatto al termine dei test di usura. I parametri del test sono riepilogati nella Tabella 1. Il tasso di usura, Kè stato valutato con la formula K=V/(F×s), dove V è il volume consumato, F è il carico normale e s è la distanza di scorrimento. Le cicatrici da usura della palla sono state valutate da a Nanovea Profiler 3D senza contatto per garantire una misurazione precisa del volume di usura.
La funzione di posizionamento radiale motorizzato automatizzato consente al tribometro di diminuire il raggio della traccia di usura per la durata di una prova. Questa modalità di test è chiamata test a spirale e garantisce che il cuscinetto a sfere scivoli sempre su una nuova superficie della carta vetrata (Figura 2). Migliora significativamente la ripetibilità del test di resistenza all'usura sulla sfera. L'encoder avanzato a 20 bit per il controllo della velocità interno e l'encoder a 16 bit per il controllo della posizione esterno forniscono informazioni precise su velocità e posizione in tempo reale, consentendo una regolazione continua della velocità di rotazione per ottenere una velocità di scorrimento lineare costante al contatto.
Si prega di notare che la carta vetrata a grana P100 è stata utilizzata per semplificare il comportamento di usura tra i vari materiali delle sfere in questo studio e può essere sostituita con qualsiasi altra superficie di materiale. Qualsiasi materiale solido può essere sostituito per simulare le prestazioni di un'ampia gamma di accoppiamenti di materiali in condizioni applicative reali, ad esempio in liquidi o lubrificanti.

Figura 2: Illustrazione dei passaggi a spirale del cuscinetto a sfera sulla carta vetrata.

Tabella 1: parametri di prova delle misurazioni dell'usura.

RISULTATI E DISCUSSIONE

Il tasso di usura è un fattore vitale per determinare la durata di servizio del cuscinetto a sfere, mentre un COF basso è auspicabile per migliorare le prestazioni e l'efficienza del cuscinetto. La Figura 3 confronta l'evoluzione del COF per diversi cuscinetti a sfera rispetto alla carta vetrata durante i test. La sfera in acciaio al cromo mostra un COF aumentato di ~0,4 durante il test di usura, rispetto a ~0,32 e ~0,28 per i cuscinetti a sfera SS440 e Al2O3. D'altro canto, la sfera WC presenta un COF costante di ~0,2 durante tutto il test di usura. Durante ogni test è possibile osservare una variazione COF osservabile, attribuita alle vibrazioni causate dal movimento di scorrimento dei cuscinetti a sfera contro la superficie ruvida della carta vetrata.

Figura 3: Evoluzione del COF durante le prove di usura.

La Figura 4 e la Figura 5 confrontano le tracce di usura dei cuscinetti a sfera dopo che sono stati misurati rispettivamente con un microscopio ottico e un profilatore ottico Nanovea Non-Contact, e la Tabella 2 riassume i risultati dell'analisi della traccia di usura. Il profilatore Nanovea 3D determina con precisione il volume di usura dei cuscinetti a sfere, consentendo di calcolare e confrontare i tassi di usura di diversi cuscinetti a sfere. Si può osservare che le sfere in acciaio al cromo e SS440 mostrano segni di usura appiattiti molto più grandi rispetto alle sfere in ceramica, cioè Al2O3 e WC dopo i test di usura. Le sfere in acciaio al cromo e SS440 hanno tassi di usura comparabili rispettivamente di 3,7×10-3 e 3,2×10-3 m3/N m. In confronto, la sfera Al2O3 mostra una maggiore resistenza all'usura con un tasso di usura di 7,2×10-4 m3/N m. La sfera WC presenta appena piccoli graffi sulla zona di usura poco profonda, con un conseguente tasso di usura significativamente ridotto di 3,3×10-6 mm3/N m.

Figura 4: Usura dei cuscinetti a sfera dopo i test.

Figura 5: Morfologia 3D delle tracce di usura sui cuscinetti a sfere.

Tabella 2: Analisi dei segni di usura dei cuscinetti a sfera.

La Figura 6 mostra le immagini al microscopio delle tracce di usura prodotte sulla carta vetrata dai quattro cuscinetti a sfera. È evidente che la sfera WC ha prodotto la pista di usura più severa (rimuovendo quasi tutte le particelle di sabbia sul suo percorso) e possiede la migliore resistenza all'usura. In confronto, le sfere Cr Steel e SS440 hanno lasciato una grande quantità di detriti metallici sulla traccia di usura della carta vetrata.
Queste osservazioni dimostrano ulteriormente l’importanza del beneficio di un test a spirale. Garantisce che il cuscinetto a sfere scivoli sempre su una nuova superficie della carta vetrata, migliorando significativamente la ripetibilità di un test di resistenza all'usura.

Figura 6: tracce di usura sulla carta vetrata contro diversi cuscinetti a sfera.

CONCLUSIONE

La resistenza all'usura dei cuscinetti a sfera ad alta pressione gioca un ruolo fondamentale nelle loro prestazioni di servizio. I cuscinetti a sfere in ceramica possiedono una resistenza all'usura notevolmente migliorata in condizioni di stress elevato e riducono i tempi e i costi dovuti alla riparazione o alla sostituzione dei cuscinetti. In questo studio, il cuscinetto a sfere WC mostra una resistenza all'usura sostanzialmente più elevata rispetto ai cuscinetti in acciaio, rendendolo un candidato ideale per applicazioni di cuscinetti in cui si verifica un'usura grave.
Un tribometro Nanovea è progettato con capacità di coppia elevata per carichi fino a 2000 N e un motore preciso e controllato per velocità di rotazione da 0,01 a 15.000 giri/min. Offre test ripetibili di usura e attrito utilizzando modalità rotativa e lineare conformi a ISO e ASTM, con moduli opzionali di usura e lubrificazione ad alta temperatura disponibili in un unico sistema preintegrato. Questa gamma senza eguali consente agli utenti di simulare diversi ambienti di lavoro gravosi dei cuscinetti a sfere, tra cui stress elevato, usura e alta temperatura, ecc. Funziona anche come strumento ideale per valutare quantitativamente i comportamenti tribologici di materiali resistenti all'usura superiori sotto carichi elevati.
Un profilatore senza contatto 3D Nanovea fornisce misurazioni precise del volume di usura e funge da strumento per analizzare la morfologia dettagliata delle tracce di usura, fornendo ulteriori approfondimenti nella comprensione fondamentale dei meccanismi di usura.

Preparato da
Duanjie Li, PhD, Jonathan Thomas e Pierre Leroux

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Importanza della valutazione dell'usura e dei graffi dei fili di rame

Il rame ha una lunga storia di utilizzo nel cablaggio elettrico fin dall'invenzione dell'elettromagnete e del telegrafo. I fili di rame sono utilizzati in un'ampia gamma di apparecchiature elettroniche, come pannelli, contatori, computer, macchine commerciali ed elettrodomestici, grazie alla loro resistenza alla corrosione, alla saldabilità e alle prestazioni a temperature elevate, fino a 150°C. Circa la metà di tutto il rame estratto viene utilizzato per la produzione di conduttori di fili e cavi elettrici.

La qualità della superficie dei fili di rame è fondamentale per le prestazioni e la durata delle applicazioni. I micro difetti nei fili possono portare a un'usura eccessiva, all'innesco e alla propagazione di cricche, a una diminuzione della conduttività e a un'inadeguata saldabilità. Un adeguato trattamento superficiale dei fili di rame rimuove i difetti superficiali generati durante la trafilatura, migliorando la resistenza alla corrosione, ai graffi e all'usura. Molte applicazioni aerospaziali con fili di rame richiedono un comportamento controllato per evitare guasti imprevisti alle apparecchiature. Per valutare correttamente la resistenza all'usura e ai graffi della superficie del filo di rame sono necessarie misure quantificabili e affidabili.

 

 

 

Obiettivo di misurazione

In questa applicazione simuliamo un processo di usura controllata di diversi trattamenti superficiali del filo di rame. Test di graffiatura misura il carico necessario a causare la rottura dello strato superficiale trattato. Questo studio mette in mostra la Nanovea Tribometro e Collaudatore meccanico come strumenti ideali per la valutazione e il controllo qualità dei cavi elettrici.

 

 

Procedura di test e procedure

Il coefficiente di attrito (COF) e la resistenza all'usura di due diversi trattamenti superficiali sui fili di rame (filo A e filo B) sono stati valutati dal tribometro Nanovea utilizzando un modulo di usura alternativo lineare. Una sfera Al₂O₃ (6 mm di diametro) è il contromateriale utilizzato in questa applicazione. La traccia di usura è stata esaminata utilizzando Nanovea Profilometro 3D senza contatto. I parametri del test sono riepilogati nella Tabella 1.

In questo studio è stata utilizzata come esempio una sfera liscia di Al₂O₃ come materiale di contrasto. È possibile applicare qualsiasi materiale solido con forma e finitura superficiale diverse, utilizzando un dispositivo personalizzato per simulare la situazione di applicazione reale.

 

 

Il tester meccanico di Nanovea, dotato di uno stilo in diamante Rockwell C (raggio di 100 μm), ha eseguito prove di graffiatura a carico progressivo sui fili rivestiti utilizzando la modalità micrograffio. I parametri del test di graffiatura e la geometria della punta sono riportati nella Tabella 2.

 

 

 

 

Risultati e discussione

Usura del filo di rame:

La Figura 2 mostra l'evoluzione della COF dei fili di rame durante i test di usura. Il filo A mostra un COF stabile di ~0,4 per tutta la durata del test di usura, mentre il filo B presenta un COF di ~0,35 nei primi 100 giri e aumenta progressivamente fino a ~0,4.

 

La Figura 3 confronta le tracce di usura dei fili di rame dopo i test. Il profilometro 3D senza contatto di Nanovea ha offerto un'analisi superiore della morfologia dettagliata delle tracce di usura. Consente una determinazione diretta e accurata del volume delle tracce di usura, fornendo una comprensione fondamentale del meccanismo di usura. La superficie del filo B presenta danni significativi alle tracce di usura dopo un test di usura a 600 giri. La vista 3D del profilometro mostra che lo strato trattato in superficie del filo B è stato completamente rimosso, accelerando in modo sostanziale il processo di usura. Ciò ha lasciato una traccia di usura appiattita sul filo B dove è esposto il substrato di rame. Ciò può comportare una riduzione significativa della durata di vita delle apparecchiature elettriche in cui viene utilizzato il filo B. In confronto, il filo A presenta un'usura relativamente lieve, evidenziata da una traccia di usura poco profonda sulla superficie. Lo strato trattato in superficie sul filo A non si è rimosso come quello sul filo B nelle stesse condizioni.

Resistenza ai graffi della superficie del filo di rame:

La Figura 4 mostra le tracce di graffi sui fili dopo il test. Lo strato protettivo del filo A mostra un'ottima resistenza ai graffi. Si delamina a un carico di ~12,6 N. In confronto, lo strato protettivo del filo B si è rotto a un carico di ~1,0 N. Una differenza così significativa nella resistenza ai graffi di questi fili contribuisce alle loro prestazioni all'usura, dove il filo A possiede una resistenza all'usura sostanzialmente superiore. L'evoluzione della forza normale, della COF e della profondità durante i test di graffiatura mostrati nella Fig. 5 fornisce ulteriori informazioni sul cedimento del rivestimento durante i test.

Conclusione

In questo studio controllato abbiamo presentato il tribometro Nanovea che effettua una valutazione quantitativa della resistenza all'usura dei fili di rame trattati superficialmente e il tester meccanico Nanovea che fornisce una valutazione affidabile della resistenza ai graffi dei fili di rame. Il trattamento superficiale del filo gioca un ruolo fondamentale nelle proprietà tribomeccaniche durante la sua vita. Un trattamento superficiale adeguato del filo A ha migliorato significativamente la resistenza all'usura e ai graffi, fondamentale per le prestazioni e la durata dei fili elettrici in ambienti difficili.

Il tribometro di Nanovea offre test di usura e attrito precisi e ripetibili utilizzando modalità rotative e lineari conformi agli standard 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.

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Importanza della valutazione dell'usura su DLC in condizioni di umidità

I rivestimenti in carbonio simile al diamante (DLC) possiedono proprietà tribologiche migliorate, ovvero un'eccellente resistenza all'usura e un coefficiente di attrito (COF) molto basso. I rivestimenti DLC conferiscono caratteristiche del diamante quando depositati su materiali diversi. Le favorevoli proprietà tribomeccaniche rendono preferibili i rivestimenti DLC in varie applicazioni industriali, come parti aerospaziali, lame di rasoio, utensili per il taglio dei metalli, cuscinetti, motori motociclistici e impianti medici.

I rivestimenti DLC presentano un COF molto basso (inferiore a 0,1) rispetto alle sfere d'acciaio in condizioni di vuoto spinto e asciutte¹². Tuttavia, i rivestimenti DLC sono sensibili alle variazioni delle condizioni ambientali, in particolare all'umidità relativa (RH).³. Ambienti con elevata umidità e concentrazione di ossigeno possono portare a un aumento significativo della COF.⁴. La valutazione affidabile dell'usura in umidità controllata simula condizioni ambientali realistiche dei rivestimenti DLC per applicazioni tribologiche. Gli utenti selezionano i migliori rivestimenti DLC per le applicazioni target con un confronto adeguato
dei comportamenti di usura del DLC esposto a diversi livelli di umidità.

Obiettivo di misurazione

Questo studio mette in mostra la Nanovea Tribometro dotato di un regolatore di umidità è lo strumento ideale per studiare il comportamento all'usura dei rivestimenti DLC a vari livelli di umidità relativa.

 

 

Procedura di prova

La resistenza all'attrito e all'usura dei rivestimenti DLC è stata valutata dal tribometro Nanovea. I parametri del test sono riepilogati nella Tabella 1. Un controller di umidità collegato alla tribocamera controllava con precisione l'umidità relativa (RH) con una precisione di ±1%. Dopo i test, le tracce di usura sui rivestimenti DLC e le cicatrici di usura sulle sfere SiN sono state esaminate utilizzando un microscopio ottico.

Nota: è possibile applicare qualsiasi materiale solido per le sfere per simulare le prestazioni di accoppiamenti di materiali diversi in condizioni ambientali come lubrificante o temperatura elevata.

Risultati e discussione

I rivestimenti DLC sono ottimi per le applicazioni tribologiche grazie al loro basso attrito e alla superiore resistenza all'usura. L'attrito del rivestimento DLC presenta un comportamento dipendente dall'umidità, come illustrato nella Figura 2. Il rivestimento DLC mostra un COF molto basso, pari a ~0,05, per tutta la durata del test di usura in condizioni relativamente secche (10% RH). Il rivestimento DLC mostra un COF costante di ~0,1 durante il test quando l'UR aumenta a 30%. La fase iniziale di rodaggio del COF si osserva nei primi 2000 giri quando l'UR sale oltre 50%. Il rivestimento DLC mostra un COF massimo di ~0,20, ~0,26 e ~0,33 con UR di 50, 70 e 90%, rispettivamente. Dopo il periodo di rodaggio, il COF del rivestimento DLC rimane costante a ~0,11, 0,13 e 0,20 con UR di 50, 70 e 90%, rispettivamente.

 

La Figura 3 confronta le cicatrici di usura delle sfere SiN e la Figura 4 confronta le tracce di usura del rivestimento DLC dopo i test di usura. Il diametro della cicatrice da usura era più piccolo quando il rivestimento DLC era esposto a un ambiente con bassa umidità. Lo strato di DLC si accumula sulla superficie della sfera SiN durante il processo di scorrimento ripetitivo sulla superficie di contatto. In questa fase, il rivestimento DLC scivola contro il proprio strato di trasferimento che agisce come un efficiente lubrificante per facilitare il movimento relativo e limitare l'ulteriore perdita di massa causata dalla deformazione da taglio. Si osserva un film di trasferimento nella cicatrice di usura della sfera SiN in ambienti a bassa UR (ad es. 10% e 30%), con conseguente processo di usura decelerato sulla sfera. Questo processo di usura si riflette sulla morfologia della pista di usura del rivestimento DLC, come mostrato nella Figura 4. Il rivestimento DLC presenta una pista di usura più piccola. Il rivestimento DLC presenta una traccia di usura più piccola in ambienti asciutti, grazie alla formazione di un film di trasferimento DLC stabile all'interfaccia di contatto che riduce significativamente l'attrito e il tasso di usura.

 

Conclusione

L'umidità gioca un ruolo vitale nelle prestazioni tribologiche dei rivestimenti DLC. Il rivestimento DLC possiede una resistenza all'usura significativamente migliorata e un basso attrito superiore in condizioni asciutte grazie alla formazione di uno strato grafitico stabile trasferito sulla controparte scorrevole (una sfera SiN in questo studio). Il rivestimento DLC scorre contro il proprio strato di trasferimento, che agisce come un lubrificante efficiente per facilitare il movimento relativo e limitare l'ulteriore perdita di massa causata dalla deformazione di taglio. Non si osserva una pellicola sulla sfera SiN con l'aumento dell'umidità relativa, portando ad un aumento del tasso di usura sulla sfera SiN e sul rivestimento DLC.

Il tribometro Nanovea offre test ripetibili di usura e attrito utilizzando modalità rotativa e lineare conformi a ISO e ASTM, con moduli di umidità opzionali disponibili in un unico sistema preintegrato. Consente agli utenti di simulare l'ambiente di lavoro con diversa umidità, fornendo agli utenti uno strumento ideale per valutare quantitativamente i comportamenti tribologici dei materiali in diverse condizioni di lavoro.

Per saperne di più sul Tribometro Nanovea e sul servizio di 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.

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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La forma e la funzione di un tessuto sono determinate dalla sua qualità e durata. L'uso quotidiano dei tessuti ne provoca l'usura, ad esempio l'impilamento, l'increspatura e lo scolorimento. La qualità inferiore dei tessuti utilizzati per l'abbigliamento può spesso portare all'insoddisfazione dei consumatori e al danneggiamento del marchio.

Il tentativo di quantificare le proprietà meccaniche dei tessuti può porre molte sfide. La struttura del filato e persino la fabbrica in cui è stato prodotto possono determinare una scarsa riproducibilità dei risultati dei test. È quindi difficile confrontare i risultati di test provenienti da laboratori diversi. La misurazione delle prestazioni di usura dei tessuti è fondamentale per i produttori, i distributori e i rivenditori della catena di produzione tessile. Una misurazione della resistenza all'usura ben controllata e riproducibile è fondamentale per garantire un controllo affidabile della qualità del tessuto.

Fate clic per leggere la nota applicativa completa!

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I test di usura lineare alternativa e rotativa (perno su disco) sono due configurazioni conformi a ASTM ampiamente utilizzate per misurare il comportamento di usura da scorrimento dei materiali. Poiché il valore del tasso di usura di qualsiasi metodo di prova di usura viene spesso utilizzato per prevedere la classifica relativa delle combinazioni di materiali, è estremamente importante confermare la ripetibilità del tasso di usura misurato utilizzando diverse configurazioni di prova. Ciò consente agli utenti di considerare attentamente il valore del tasso di usura riportato in letteratura, fondamentale per comprendere le caratteristiche tribologiche dei materiali.

Per saperne di più!

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Importanza della valutazione delle prestazioni dei pattini di rottura

Le pastiglie dei freni sono materiali compositi, costituiti da più ingredienti, che devono essere in grado di soddisfare un gran numero di requisiti di sicurezza. Le pastiglie dei freni ideali hanno un elevato coefficiente di attrito (COF), un basso tasso di usura, una rumorosità minima e rimangono affidabili in ambienti diversi. Per garantire che la qualità delle pastiglie dei freni sia in grado di soddisfare i requisiti richiesti, i test tribologici possono essere utilizzati per identificare le specifiche critiche.


L'importanza dell'affidabilità delle pastiglie dei freni è molto elevata; la sicurezza dei passeggeri non deve mai essere trascurata. Pertanto, è fondamentale replicare le condizioni di funzionamento e identificare i possibili punti di guasto.
Con la Nanovea Tribometro, viene applicato un carico costante tra un perno, una sfera o un piatto e un contromateriale in costante movimento. L'attrito tra i due materiali viene raccolto con una cella di carico rigida, consentendo la raccolta delle proprietà del materiale a diversi carichi e velocità e testato in ambienti ad alta temperatura, corrosivi o liquidi.

Obiettivo di misurazione

In questo studio, il coefficiente di attrito delle pastiglie dei freni è stato studiato in un ambiente con temperatura in continuo aumento, da temperatura ambiente a 700°C. La temperatura ambientale è stata aumentata in situ fino a quando non è stato osservato un evidente cedimento della pastiglia del freno. Una termocoppia è stata fissata sul lato posteriore del perno per misurare la temperatura in prossimità dell'interfaccia di scorrimento.

Procedura di test e procedure

Risultati e discussione

Questo studio si concentra principalmente sulla temperatura alla quale le pastiglie dei freni iniziano a guastarsi. I COF ottenuti non rappresentano valori reali; il materiale del perno non è lo stesso dei rotori dei freni. Si noti inoltre che i dati di temperatura raccolti sono la temperatura del perno e non quella dell'interfaccia di scorrimento.

 

All'inizio del test (temperatura ambiente), il COF tra il perno SS440C e la pastiglia del freno ha dato un valore costante di circa 0,2. Con l'aumento della temperatura, il COF è aumentato costantemente e ha raggiunto un valore massimo di 0,26 vicino a 350°C. Superati i 390°C, il COF inizia rapidamente a diminuire. Il COF ha iniziato a risalire a 0,2 a 450°C, ma poco dopo ha iniziato a diminuire fino a raggiungere un valore di 0,05.


La temperatura alla quale le pastiglie dei freni si sono costantemente guastate è stata identificata con temperature superiori a 500°C. Superata questa temperatura, il COF non era più in grado di mantenere il COF iniziale di 0,2.

Conclusione

Le pastiglie dei freni hanno mostrato un cedimento consistente a una temperatura superiore a 500°C. Il suo COF di 0,2 sale lentamente a un valore di 0,26 prima di scendere a 0,05 alla fine del test (580°C). La differenza tra 0,05 e 0,2 è di un fattore 4. Ciò significa che la forza normale a 580°C deve essere quattro volte superiore a quella a temperatura ambiente per ottenere la stessa forza di arresto!


Sebbene non sia stato incluso in questo studio, il tribometro Nanovea è anche in grado di condurre test per osservare un'altra importante proprietà delle pastiglie dei freni: il tasso di usura. Utilizzando i nostri profilometri 3D senza contatto, è possibile ottenere il volume della traccia di usura per calcolare la velocità di usura dei campioni. I test di usura possono essere condotti con il Tribometro Nanovea in diverse condizioni e ambienti di prova per simulare al meglio le condizioni operative.

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