Tribologia a carico dinamico: prove di usura con oscillazione controllata

L’usura si verifica praticamente in ogni settore industriale e comporta costi pari a circa lo 0,75% del PIL. La ricerca tribologica è fondamentale per migliorare l’efficienza produttiva e le prestazioni applicative, oltre che per risparmiare materiali, energia e ambiente. Vibrazioni e oscillazioni sono inevitabili in un’ampia gamma di applicazioni tribologiche. Una vibrazione esterna eccessiva accelera il processo di usura e riduce le prestazioni in servizio, fino a causare cedimenti catastrofici delle parti meccaniche.

I tribometri convenzionali a carico morto applicano il carico normale con pesi. Questa tecnica non solo limita le opzioni di carico a un carico costante, ma a carichi e velocità elevati genera anche forti vibrazioni incontrollate, che portano a valutazioni dell’usura limitate e incoerenti. Una valutazione affidabile dell’effetto di un’oscillazione controllata sul comportamento a usura dei materiali è auspicabile per R&S e controllo qualità in diverse applicazioni industriali.

L’innovativo tribometro ad alto carico di NANOVEA ha una capacità di carico massima di 2000 N con un sistema di controllo dinamico del carico. L’avanzato sistema di carico pneumatico ad aria compressa consente di valutare il comportamento tribologico di un materiale sotto carichi normali elevati, con il vantaggio di smorzare le vibrazioni indesiderate generate durante il processo di usura. Il carico viene quindi misurato direttamente, senza le molle ammortizzatrici usate nei progetti precedenti. Un modulo di carico oscillante a elettromagnete in parallelo applica un’oscillazione ben controllata, con ampiezza desiderata fino a 20 N e frequenza fino a 150 Hz.

L’attrito viene misurato con alta precisione direttamente dalla forza laterale applicata al supporto superiore. Lo spostamento è monitorato in situ e fornisce indicazioni sull’evoluzione del comportamento a usura dei campioni. La prova di usura con carico oscillante controllato può essere eseguita anche in ambienti di corrosione, alta temperatura, umidità e lubrificazione, per simulare le reali condizioni di lavoro delle applicazioni tribologiche. Un profilometro senza contatto integrato ad alta velocità misura automaticamente la morfologia e il volume della traccia di usura in pochi secondi.

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Il comportamento tribologico, ad esempio il coefficiente di attrito (COF) e la resistenza all’usura, di un rivestimento antiusura spesso 300 µm è stato valutato e confrontato con il tribometro NANOVEA T2000 e con un tribometro convenzionale a carico morto, usando una configurazione pin su disco secondo ASTM G99.

Campioni separati di Cu e rivestiti in TiN, contro una sfera di Al₂O₃ da 6 mm sotto oscillazione controllata, sono stati valutati con la modalità di tribologia a carico dinamico del tribometro NANOVEA T2000.

I parametri di prova sono riassunti nella Tabella 1. Il profilometro 3D integrato, dotato di un sensore a linea, scansiona automaticamente la traccia di usura dopo le prove, fornendo in pochi secondi la misura più accurata del volume di usura.

Il comportamento tribologico di un rivestimento antiusura con il tribometro NANOVEA T2000 è confrontato con quello di un tribometro convenzionale a carico morto (DL). L’evoluzione del COF del rivestimento è mostrata in Fig. 2. Il rivestimento presenta un valore di COF comparabile, di circa 0,6, durante la prova di usura. Tuttavia, i 20 profili di sezione in diversi punti della traccia di usura in Fig. 3 indicano che il rivestimento ha subito un’usura molto più severa con il sistema a carico morto.

Il processo di usura del sistema a carico morto ha generato forti vibrazioni a carico e velocità elevati. L’enorme pressione concentrata sulla superficie di contatto, unita a un’elevata velocità di strisciamento, crea vibrazioni consistenti dei pesi e della struttura che accelerano l’usura. Il tribometro convenzionale a carico morto applica il carico con dei pesi. Questo metodo è affidabile a carichi di contatto più bassi e in condizioni di usura blande; in condizioni di usura aggressive, a carichi e velocità più elevati, la forte vibrazione fa invece rimbalzare ripetutamente i pesi, producendo una traccia di usura irregolare e una valutazione tribologica inaffidabile. Il tasso di usura calcolato è 8,0±2,4 ×10⁻⁴ mm³/N·m, un tasso di usura elevato con una grande deviazione standard.

Il tribometro NANOVEA T2000 è progettato con un sistema di carico a controllo dinamico che smorza le oscillazioni. Applica il carico normale con aria compressa, riducendo al minimo le vibrazioni indesiderate generate durante il processo di usura. Inoltre, il controllo attivo del carico in anello chiuso garantisce l’applicazione di un carico costante per tutta la prova e lo stilo segue la variazione di profondità della traccia di usura. Come mostra la Fig. 3a, si misura un profilo della traccia di usura molto più uniforme, con un basso tasso di usura di 3,4±0,5 ×10⁻⁴ mm³/N·m.

L’analisi della traccia di usura in Fig. 4 conferma che la prova eseguita con il sistema di carico pneumatico ad aria compressa del tribometro NANOVEA T2000 produce una traccia di usura più liscia e uniforme rispetto al tribometro convenzionale a carico morto. Inoltre, il tribometro NANOVEA T2000 misura lo spostamento dello stilo durante il processo di usura, offrendo ulteriori indicazioni sull’evoluzione in situ del comportamento a usura.

Il modulo di carico oscillante a elettromagnete in parallelo del tribometro NANOVEA T2000 consente di studiare l’effetto di oscillazioni di ampiezza e frequenza controllate sul comportamento a usura dei materiali. Il COF dei campioni di Cu è registrato in situ, come mostra la Fig. 6. Il campione di Cu presenta un COF costante di circa 0,3 durante le prime 330 rivoluzioni, segno della formazione di un contatto stabile all’interfaccia e di una traccia di usura relativamente liscia. Proseguendo la prova, la variazione del COF indica un cambiamento del meccanismo di usura. Al contrario, le prove di usura con un’oscillazione controllata di 5 N di ampiezza a 50 N mostrano un comportamento diverso: il COF aumenta subito all’inizio del processo di usura e varia in modo significativo per tutta la prova. Questo andamento del COF indica che l’oscillazione imposta sul carico normale contribuisce allo stato di strisciamento instabile nel contatto.

La Fig. 7 confronta la morfologia della traccia di usura misurata con il profilometro ottico senza contatto integrato. Si osserva che il campione di Cu sotto un’ampiezza di oscillazione controllata di 5 N presenta una traccia di usura molto più grande, con un volume di 1,35×10⁹ µm³, rispetto a 5,03×10⁸ µm³ senza oscillazione imposta. L’oscillazione controllata accelera notevolmente il tasso di usura, di un fattore di circa 2,7, dimostrando l’effetto critico dell’oscillazione sul comportamento a usura.

Il COF e le tracce di usura del campione rivestito in TiN sono mostrati in Fig. 8. Il rivestimento TiN presenta comportamenti a usura molto diversi sotto oscillazione, come indica l’evoluzione del COF durante le prove. Dopo il periodo di rodaggio all’inizio della prova, il rivestimento TiN mostra un COF costante di circa 0,3, dovuto al contatto di strisciamento stabile all’interfaccia tra il rivestimento TiN e la sfera di Al₂O₃. Quando però il rivestimento TiN inizia a cedere, la sfera di Al₂O₃ attraversa il rivestimento e striscia contro il substrato di acciaio sottostante. Contemporaneamente si genera nella traccia di usura una quantità significativa di detriti duri di TiN, che trasforma un’usura stabile per strisciamento a due corpi in un’abrasione a tre corpi. Questo cambiamento delle caratteristiche della coppia di materiali porta a variazioni maggiori nell’evoluzione del COF. L’oscillazione imposta di 5 N e 10 N anticipa il cedimento del rivestimento TiN da circa 400 rivoluzioni a meno di 100 rivoluzioni. Le tracce di usura più grandi sui campioni rivestiti in TiN dopo le prove con oscillazione controllata concordano con questo cambiamento del COF.

L’avanzato sistema di carico pneumatico del tribometro NANOVEA T2000 ha un vantaggio intrinseco come smorzatore di vibrazioni naturalmente rapido rispetto ai sistemi tradizionali a carico morto. Questo vantaggio tecnologico dei sistemi pneumatici vale anche rispetto ai sistemi a controllo di carico che applicano il carico con una combinazione di servomotori e molle. La tecnologia garantisce una valutazione dell’usura affidabile e meglio controllata a carichi elevati, come dimostrato in questo studio. Inoltre, il sistema di carico attivo in anello chiuso può portare il carico normale al valore desiderato durante le prove di usura, per simulare applicazioni reali come quelle dei sistemi frenanti.

Invece di subire l’influenza di vibrazioni incontrollate durante le prove, abbiamo mostrato che il tribometro a carico dinamico NANOVEA T2000 consente di valutare quantitativamente il comportamento tribologico dei materiali in diverse condizioni di oscillazione controllata. Le vibrazioni hanno un ruolo significativo nel comportamento a usura dei campioni metallici e dei rivestimenti ceramici.

Il modulo di carico oscillante a elettromagnete in parallelo fornisce oscillazioni controllate con precisione ad ampiezze e frequenze impostate, permettendo di simulare il processo di usura in condizioni reali, in cui le vibrazioni ambientali sono spesso un fattore importante. In presenza di oscillazioni imposte durante l’usura, sia il Cu sia il rivestimento TiN mostrano un tasso di usura notevolmente aumentato. L’evoluzione del coefficiente di attrito e lo spostamento dello stilo misurati in situ sono indicatori importanti delle prestazioni del materiale nelle applicazioni tribologiche. Il profilometro 3D senza contatto integrato offre uno strumento per misurare con precisione il volume di usura e analizzare in pochi secondi la morfologia dettagliata delle tracce di usura, fornendo maggiori indicazioni per la comprensione dei meccanismi di usura.

Il T2000 è dotato di un motore autoregolato di alta qualità e ad alta coppia, con encoder interno di velocità a 20 bit ed encoder esterno di posizione a 16 bit. Ciò consente al tribometro di offrire una gamma impareggiabile di velocità di rotazione, da 0,01 a 5000 rpm, variabili a gradini o in modo continuo. A differenza dei sistemi che usano un sensore di coppia posto in basso, il tribometro NANOVEA usa una cella di carico di alta precisione posta in alto per misurare con precisione e separatamente le forze di attrito.

I tribometri NANOVEA offrono prove di usura e attrito precise e ripetibili in modalità rotativa e lineare conformi alle norme ISO e ASTM (comprese le prove a 4 sfere, thrust washer e block on ring), con moduli opzionali per usura ad alta temperatura, lubrificazione e tribocorrosione disponibili in un unico sistema preintegrato. La gamma impareggiabile del NANOVEA T2000 è una soluzione ideale per determinare l’intero spettro delle proprietà tribologiche di rivestimenti, film e substrati sottili o spessi, morbidi o duri.