PL 
EN 
ES 
DE 
FR 
IT 
ZH 
JA 
PT 
TR 
KO 
AR Kategoria: Testy trybologiczne
Ocena zużycia przez fretting
OCENA ZUŻYCIA FRETTINGOWEGO
Autor:
Duanjie Li, PhD
Zmieniony przez
Jocelyn Esparza
WPROWADZENIE
Fretting jest "specjalnym procesem zużycia, który występuje w obszarze styku dwóch materiałów poddanych obciążeniu i podlegających niewielkim ruchom względnym w wyniku wibracji lub innej siły". Podczas pracy maszyn, w sposób nieunikniony występują drgania w połączeniach śrubowych lub kołkowych, pomiędzy komponentami, które nie są przeznaczone do poruszania się, oraz w oscylujących sprzęgłach i łożyskach. Amplituda takich względnych ruchów ślizgowych jest często rzędu mikrometrów do milimetrów. Takie powtarzające się ruchy o niskiej amplitudzie powodują poważne miejscowe zużycie mechaniczne i przenoszenie materiału na powierzchni, co może prowadzić do zmniejszenia wydajności produkcji, wydajności maszyny lub nawet jej uszkodzenia.
Znaczenie ilościowe
Ocena zużycia przez fretting
Zużycie frettingowe często wiąże się z kilkoma złożonymi mechanizmami zużycia zachodzącymi na powierzchni styku, w tym ścieraniem dwuciałowym, zużyciem adhezyjnym i/lub zużyciem frettingowym. Aby zrozumieć mechanizm zużycia frettingowego i wybrać najlepszy materiał do ochrony przed zużyciem frettingowym, konieczna jest wiarygodna i ilościowa ocena zużycia frettingowego. Na zachowanie się zużycia frettingowego istotny wpływ ma środowisko pracy, takie jak amplituda przemieszczenia, normalne obciążenie, korozja, temperatura, wilgotność i smarowanie. Wszechstronny trybometr które mogą symulować różne realistyczne warunki pracy, będą idealne do oceny zużycia frettingowego.
Steven R. Lampman, Podręcznik ASM: Volume 19: Fatigue and Fracture
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear
CEL POMIARU
W tym badaniu ocenialiśmy zachowanie się próbek stali nierdzewnej SS304 w różnych prędkościach oscylacji i temperaturach, aby zaprezentować zdolność NANOVEA T50 Tribometr w symulacji procesu zużycia frettingowego metalu w sposób dobrze kontrolowany i monitorowany.
NANOVEA
T50
WARUNKI BADANIA
Odporność na zużycie ścierne próbki ze stali nierdzewnej SS304 oceniono za pomocą NANOVEA Tribometr z wykorzystaniem modułu liniowo-tłokowego zużycia. Jako materiał przeciwny zastosowano kulę z WC (średnica 6 mm). Ślad zużycia badano za pomocą NANOVEA Bezkontaktowy profiler 3D.
Test frettingu przeprowadzono w temperaturze pokojowej (RT) i 200 °C w celu zbadania wpływu wysokiej temperatury na odporność na zużycie ścierne próbki SS304. Płyta grzejna znajdująca się na stoliku z próbkami podgrzewała próbkę podczas testu odporności na ścieranie przy temperaturze 200 °C. Stopień zużycia, K, oceniono według wzoru K=V/(F×s)gdzie V jest objętością zużytą, F jest obciążeniem normalnym, a s jest odległością przesuwu.
Należy pamiętać, że kula WC jako materiał przeciwny został użyty jako przykład w tym badaniu. Każdy materiał stały o różnych kształtach i wykończeniu powierzchni może być zastosowany przy użyciu niestandardowego oprzyrządowania, aby zasymulować rzeczywistą sytuację zastosowania.
PARAMETRY BADANIA
pomiarów zużycia
WYNIKI I DYSKUSJA
Profil śladu zużycia 3D umożliwia bezpośrednie i dokładne określenie ubytku objętości śladu zużycia obliczonego przez NANOVEA Oprogramowanie do analizy gór.
W teście zużycia posuwisto-zwrotnego przy niskiej prędkości obrotowej 100 obr/min i temperaturze pokojowej wykazano niewielki ślad zużycia 0,014 mm³. Dla porównania, w teście zużycia frettingowego przeprowadzonym przy wysokiej prędkości obrotowej 1000 obr/min powstaje znacznie większy ślad zużycia o objętości 0,12 mm³. Taki przyspieszony proces zużycia może być przypisany wysokiemu ciepłu i intensywnym wibracjom generowanym podczas próby zużycia frettingowego, co sprzyja utlenianiu metalowych odłamków i powoduje silne ścieranie trzech ciał. Próba zużycia ściernego w podwyższonej temperaturze 200 °C tworzy większy ślad zużycia 0,27 mm³.
W teście zużycia frettingowego przy 1000 obr/min współczynnik zużycia wynosi 1,5×10-4 mm³/Nm, czyli prawie dziewięciokrotnie w porównaniu do zużycia w teście zużycia przeciwsobnego przy 100 obr. Test zużycia przez fretting w podwyższonej temperaturze jeszcze bardziej przyspiesza zużycie do 3,4×10-4 mm³/Nm. Tak znaczna różnica w odporności na zużycie mierzonej przy różnych prędkościach i temperaturach pokazuje znaczenie prawidłowych symulacji zużycia frettingowego dla realistycznych zastosowań.
Zachowanie podczas zużywania może ulec drastycznej zmianie, gdy do tribosystemu wprowadzi się niewielkie zmiany warunków badania. Wszechstronność NANOVEA Tribometr umożliwia pomiar zużycia w różnych warunkach, w tym w wysokiej temperaturze, smarowaniu, korozji i innych. Dokładna kontrola prędkości i pozycji przez zaawansowany silnik umożliwia użytkownikom wykonanie testu zużycia przy prędkościach od 0,001 do 5000 obr/min, co czyni go idealnym narzędziem dla laboratoriów badawczych/testujących do badania zużycia frettingowego w różnych warunkach tribologicznych.
Ślady zużycia frettingu w różnych warunkach
pod mikroskopem optycznym
PROFILE TRASY 3D
zapewniają większy wgląd w podstawowe zrozumienie
mechanizmu zużycia przez fretting
ZESTAWIENIE WYNIKÓW ŚLADÓW ZUŻYCIA
mierzone przy użyciu różnych parametrów badania
PODSUMOWANIE
W tym badaniu wykazaliśmy zdolność NANOVEA Tribometr w ocenie zużycia ściernego próbki ze stali nierdzewnej SS304 w sposób kontrolowany i ilościowy.
Prędkość i temperatura badania odgrywają decydującą rolę w odporności na zużycie ścierne materiałów. Wysoka temperatura i intensywne wibracje podczas próby frettingu spowodowały znaczne przyspieszenie zużycia próbki SS304 prawie dziewięciokrotnie. Podwyższona temperatura 200 °C spowodowało dalszy wzrost współczynnika zużycia do 3,4×10-4 mm3/Nm.
Wszechstronność NANOVEA Tribometr czyni go idealnym narzędziem do pomiaru zużycia frettingowego w różnych warunkach, w tym w wysokiej temperaturze, przy smarowaniu, korozji i innych.
NANOVEA Tribometry oferują precyzyjne i powtarzalne badania zużycia i tarcia w trybach obrotowym i liniowym zgodnych z normami ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami do badań zużycia w wysokich temperaturach, smarowania i tribo-korozji dostępnymi w jednym, wstępnie zintegrowanym systemie. Nasza niezrównana oferta stanowi idealne rozwiązanie do określenia pełnego zakresu właściwości trybologicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży.
TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI
Łożyska kulkowe: badanie odporności na zużycie przy dużych siłach
WPROWADZENIE
Łożysko kulkowe wykorzystuje kulki do zmniejszania tarcia obrotowego i przenoszenia obciążeń promieniowych i osiowych. Kulki toczące się pomiędzy bieżniami łożyska wytwarzają znacznie niższy współczynnik tarcia (COF) w porównaniu do dwóch płaskich powierzchni ślizgających się po sobie. Łożyska kulkowe są często narażone na wysoki poziom naprężeń kontaktowych, zużycie i ekstremalne warunki środowiskowe, takie jak wysokie temperatury. Dlatego też odporność kulek na zużycie pod dużymi obciążeniami i w ekstremalnych warunkach środowiskowych ma kluczowe znaczenie dla wydłużenia żywotności łożyska kulkowego, co pozwala obniżyć koszty i czas napraw i wymian.
Łożyska kulkowe można znaleźć w prawie wszystkich zastosowaniach obejmujących części ruchome. Są powszechnie stosowane w branżach transportowych, takich jak przemysł lotniczy i samochodowy, a także w przemyśle zabawkowym, który produkuje takie przedmioty, jak fidget spinner i deskorolki.
OCENA ZUŻYCIA ŁOŻYSK KULKOWYCH PRZY DUŻYCH OBCIĄŻENIACH
Łożyska kulkowe mogą być wykonane z obszernej listy materiałów. Powszechnie stosowane materiały obejmują metale, takie jak stal nierdzewna i stal chromowa, lub ceramikę, taką jak węglik wolframu (WC) i azotek krzemu (Si3n4). Aby mieć pewność, że produkowane łożyska kulkowe posiadają wymaganą odporność na zużycie, idealną dla danych warunków zastosowania, konieczne są rzetelne oceny tribologiczne przy dużych obciążeniach. Testy trybologiczne pomagają w ilościowym określeniu i porównaniu zachowań związanych ze zużyciem różnych łożysk kulkowych w kontrolowany i monitorowany sposób, aby wybrać najlepszego kandydata do docelowego zastosowania.
CEL POMIARU
W tym badaniu prezentujemy Nanoveę Tribometr jako idealne narzędzie do porównywania odporności na zużycie różnych łożysk kulkowych przy dużych obciążeniach.
Rysunek 1: Konfiguracja testu łożyska.
PROCEDURA TESTOWA
Współczynnik tarcia, COF i odporność na zużycie łożysk kulkowych wykonanych z różnych materiałów oceniano za pomocą Tribometru Nanovea. Jako materiał przeciwległy zastosowano papier ścierny o ziarnistości P100. Ślady zużycia łożysk kulkowych zbadano za pomocą a Nanovea Bezkontaktowy Profiler 3D po zakończeniu testów zużycia. Parametry badania podsumowano w tabeli 1. Szybkość zużycia, K, oceniono według wzoru K=V/(F×s)gdzie V jest objętością zużytą, F jest obciążeniem normalnym, a s jest odległością poślizgu. Blizny spowodowane zużyciem piłki zostały ocenione przez a Nanovea Bezdotykowy profiler 3D zapewniający precyzyjny pomiar objętości zużycia.
Zautomatyzowana, zmotoryzowana funkcja pozycjonowania promieniowego umożliwia trybometrowi zmniejszenie promienia toru zużycia na czas trwania testu. Ten tryb testowy nazywany jest testem spiralnym i zapewnia, że łożysko kulkowe zawsze ślizga się po nowej powierzchni papieru ściernego (rysunek 2). Znacząco poprawia powtarzalność badania odporności na zużycie na kuli. Zaawansowany 20-bitowy enkoder do wewnętrznej kontroli prędkości i 16-bitowy enkoder do zewnętrznej kontroli położenia zapewniają precyzyjne informacje o prędkości i położeniu w czasie rzeczywistym, umożliwiając ciągłą regulację prędkości obrotowej w celu uzyskania stałej prędkości liniowego poślizgu na styku.
Należy pamiętać, że w tym badaniu zastosowano papier ścierny o ziarnistości P100, aby uprościć zachowanie się różnych materiałów kulek podczas zużycia i można go zastąpić dowolną inną powierzchnią materiału. Można zastąpić dowolny materiał stały, aby symulować działanie szerokiego zakresu złączy materiałowych w rzeczywistych warunkach zastosowania, takich jak ciecz lub smar.
Rysunek 2: Ilustracja spiralnych przejść łożyska kulkowego na papierze ściernym.
Tabela 1: Parametry testowe pomiarów zużycia.
WYNIKI I DYSKUSJA
Szybkość zużycia jest istotnym czynnikiem określającym żywotność łożyska kulkowego, natomiast niski współczynnik COF jest pożądany w celu poprawy wydajności i wydajności łożyska. Rysunek 3 porównuje ewolucję COF dla różnych łożysk kulkowych w porównaniu z papierem ściernym podczas testów. Kulka ze stali Cr wykazuje zwiększony współczynnik COF o ~0,4 podczas testu zużycia w porównaniu z ~0,32 i ~0,28 w przypadku łożysk kulkowych SS440 i Al2O3. Z drugiej strony piłka WC wykazuje stały współczynnik COF wynoszący ~0,2 w całym teście zużycia. W każdym teście można zaobserwować obserwowalne zmiany współczynnika COF, które przypisuje się wibracjom powodowanym przez ruch ślizgowy łożysk kulkowych po szorstkiej powierzchni papieru ściernego.
Rysunek 3: Zmiany COF podczas testów zużycia.
Na rysunkach 4 i 5 porównano ślady zużycia łożysk kulkowych po ich pomiarze odpowiednio za pomocą mikroskopu optycznego i bezkontaktowego profilera optycznego Nanovea, a tabela 2 podsumowuje wyniki analizy śladu zużycia. Profiler 3D Nanovea precyzyjnie określa stopień zużycia łożysk kulkowych, umożliwiając obliczenie i porównanie stopnia zużycia różnych łożysk kulkowych. Można zaobserwować, że kulki Cr Steel i SS440 wykazują po testach zużycia znacznie większe spłaszczone ślady zużycia w porównaniu do kulek ceramicznych tj. Al2O3 i WC. Kulki Cr Steel i SS440 charakteryzują się porównywalnym współczynnikiem zużycia odpowiednio 3,7×10-3 i 3,2×10-3 m3/Nm. Dla porównania kula Al2O3 wykazuje zwiększoną odporność na zużycie przy szybkości zużycia 7,2×10-4 m3/Nm. Kula WC ledwo wykazuje drobne zarysowania na płytkim obszarze zużycia, co skutkuje znacznie zmniejszonym współczynnikiem zużycia wynoszącym 3,3×10-6 mm3/Nm.
Rysunek 4: Ślady zużycia łożysk kulkowych po testach.
Rysunek 5: Morfologia 3D śladów zużycia na łożyskach kulkowych.
Tabela 2: Analiza śladów zużycia łożysk kulkowych.
Rysunek 6 przedstawia obrazy mikroskopowe śladów zużycia wytwarzanych na papierze ściernym przez cztery łożyska kulkowe. Jest oczywiste, że kula WC wykazywała najcięższy ślad zużycia (usuwając prawie wszystkie cząsteczki piasku na swojej drodze) i posiada najlepszą odporność na zużycie. Dla porównania, kulki ze stali Cr i SS440 pozostawiły dużą ilość metalowych resztek na ścieżce zużycia papieru ściernego.
Obserwacje te dodatkowo pokazują znaczenie korzyści płynących z testu spiralnego. Dzięki temu łożysko kulkowe zawsze ślizga się po nowej powierzchni papieru ściernego, co znacznie poprawia powtarzalność badania odporności na zużycie.
Rysunek 6: Ślady zużycia papieru ściernego na różnych łożyskach kulkowych.
PODSUMOWANIE
Odporność łożysk kulkowych na zużycie pod wysokim ciśnieniem odgrywa kluczową rolę w ich działaniu. Ceramiczne łożyska kulkowe charakteryzują się znacznie zwiększoną odpornością na zużycie w warunkach dużych naprężeń oraz redukują czas i koszty związane z naprawą lub wymianą łożysk. W tym badaniu łożysko kulkowe WC wykazuje znacznie wyższą odporność na zużycie w porównaniu z łożyskami stalowymi, co czyni je idealnym kandydatem do zastosowań łożyskowych, w których występuje duże zużycie.
Trybometr Nanovea został zaprojektowany z myślą o wysokim momencie obrotowym dla obciążeń do 2000 N oraz precyzyjnym i kontrolowanym silniku dla prędkości obrotowych od 0,01 do 15 000 obr./min. Oferuje powtarzalne badania zużycia i tarcia przy użyciu trybów obrotowych i liniowych zgodnych z ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami zużycia i smarowania w wysokiej temperaturze dostępnymi w jednym, wstępnie zintegrowanym systemie. Ten niezrównany zakres pozwala użytkownikom symulować różne, trudne środowiska pracy łożysk kulkowych, w tym wysokie naprężenia, zużycie i wysoką temperaturę itp. Działa również jako idealne narzędzie do ilościowej oceny zachowań tribologicznych materiałów o doskonałej odporności na zużycie pod dużymi obciążeniami.
Bezkontaktowy profiler 3D Nanovea zapewnia precyzyjne pomiary objętości zużycia i działa jako narzędzie do analizy szczegółowej morfologii śladów zużycia, zapewniając dodatkowy wgląd w podstawowe zrozumienie mechanizmów zużycia.
Przygotowane przez
Duanjie Li, dr Jonathan Thomas i Pierre Leroux
Test zużycia bloku na pierścieniu
ZNACZENIE OCENY ZUŻYCIA BLOKÓW NA PIERŚCIENIACH
Zużycie ślizgowe to postępująca utrata materiału, która wynika z przesuwania się dwóch materiałów względem siebie w miejscu styku pod wpływem obciążenia. Występuje ono nieuchronnie w wielu różnych branżach, w których pracują maszyny i silniki, w tym w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym, naftowym i gazowym oraz wielu innych. Taki ruch ślizgowy powoduje poważne zużycie mechaniczne i przenoszenie materiału na powierzchni, co może prowadzić do zmniejszenia wydajności produkcji, wydajności maszyny lub nawet jej uszkodzenia.
Zużycie ślizgowe często wiąże się ze złożonymi mechanizmami zużycia zachodzącymi na powierzchni styku, takimi jak zużycie adhezyjne, ścieranie dwuciałowe, ścieranie trójciałowe i zużycie zmęczeniowe. Na zachowanie materiałów podczas zużycia znacząco wpływa środowisko pracy, takie jak normalne obciążenie, prędkość, korozja i smarowanie. Wszechstronny trybometr które mogą symulować różne realistyczne warunki pracy, będą idealne do oceny zużycia.
Test Block-on-Ring (ASTM G77) jest szeroko stosowaną techniką, która ocenia zachowanie materiałów podczas zużycia ślizgowego w różnych symulowanych warunkach, pozwala na wiarygodne rankingi par materiałów dla określonych zastosowań tribologicznych.
Test Block-on-Ring (ASTM G77) jest szeroko stosowaną techniką, która ocenia zachowanie materiałów podczas zużycia ślizgowego w różnych symulowanych warunkach, pozwala na wiarygodne rankingi par materiałów dla określonych zastosowań tribologicznych.
CEL POMIARU
W tej aplikacji, Nanovea Mechanical Tester mierzy YS i UTS próbek ze stali nierdzewnej SS304 i stopu aluminium Al6061. Próbki zostały wybrane ze względu na ich powszechnie uznawane wartości YS i UTS pokazujące wiarygodność metod indentacji Nanovea.
Zachowanie się ślizgowego bloku H-30 na pierścieniu S-10 oceniano za pomocą trybometru Nanovea przy użyciu modułu Block-on-Ring. Blok H-30 wykonany jest ze stali narzędziowej 01 o twardości 30HRC, natomiast pierścień S-10 ze stali typu 4620 o twardości powierzchniowej od 58 do 63 HRC i średnicy pierścienia ~34,98 mm. Testy blokowania na pierścieniu przeprowadzono w środowiskach suchych i smarowanych, aby zbadać wpływ na zachowanie podczas zużycia. Badania smarowania przeprowadzono w ciężkim oleju mineralnym USP. Ślad zużycia zbadano za pomocą urządzenia Nanovea Bezkontaktowy profilometr 3D. Parametry badania zestawiono w tabeli 1. Szybkość zużycia (K) oszacowano za pomocą wzoru K=V/(F×s), gdzie V to objętość zużycia, F to normalne obciążenie, s to droga poślizgu.
WYNIKI I DYSKUSJA
Rysunek 2 porównuje współczynnik tarcia (COF) w testach Block-on-Ring w środowiskach suchych i smarowanych. Blok ma znacznie większe tarcie w środowisku suchym niż w środowisku smarowanym. COF
zmienia się w okresie docierania podczas pierwszych 50 obrotów i osiąga stały współczynnik COF wynoszący ~0,8 przez resztę testu zużycia przy 200 obrotach. Dla porównania, test Block-on-Ring przeprowadzony przy smarowaniu ciężkim olejem mineralnym USP wykazuje stały niski współczynnik COF wynoszący 0,09 przez cały test zużycia przy 500 000 obrotów. Smar znacząco zmniejsza współczynnik COF pomiędzy powierzchniami ~90 razy.
Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono obrazy optyczne i profile 2D przekroju poprzecznego blizn po zużyciu na blokach po testach zużycia na sucho i ze smarowaniem. Objętości śladów zużycia i szybkości zużycia zestawiono w tabeli 2. Blok stalowy po próbie zużycia na sucho przy niższej prędkości obrotowej 72 obr/min przez 200 obrotów wykazuje dużą objętość blizny zużycia wynoszącą 9,45 mm˙. Dla porównania, próba zużycia przeprowadzona przy wyższej prędkości obrotowej 197 obr/min przez 500 000 obrotów w smarze z olejem mineralnym tworzy znacznie mniejszą objętość śladu zużycia 0,03 mm˙.
Obrazy na wykresie 3 pokazują, że podczas testów w warunkach suchych ma miejsce poważne zużycie w porównaniu do łagodnego zużycia w teście zużycia w stanie nasmarowanym. Wysokie temperatury i intensywne wibracje generowane podczas próby zużycia na sucho sprzyjają utlenianiu metalowych odłamków, co skutkuje silnym ścieraniem trzech elementów. W teście smarowania olej mineralny redukuje tarcie i chłodzi powierzchnię styku, jak również transportuje odłamki ścierne powstałe podczas zużycia. Prowadzi to do znacznego zmniejszenia szybkości zużycia o współczynnik ~8×10ˆ. Tak znaczna różnica w odporności na zużycie w różnych środowiskach pokazuje, jak ważna jest właściwa symulacja zużycia ślizgowego w realistycznych warunkach pracy.
Zachowanie podczas zużycia może się drastycznie zmienić, gdy wprowadzone zostaną niewielkie zmiany w warunkach badania. Wszechstronność trybometru Nanovea pozwala na pomiar zużycia w warunkach wysokiej temperatury, smarowania i trybokorozji. Dokładna kontrola prędkości i pozycji przez zaawansowany silnik umożliwia wykonywanie testów zużycia przy prędkościach od 0,001 do 5000 rpm, co czyni go idealnym narzędziem dla laboratoriów badawczych/testowych do badania zużycia w różnych warunkach trybologicznych.
Stan powierzchni próbek zbadano za pomocą bezkontaktowego proÿlometru optycznego firmy Nanovea. Na rysunku 5 przedstawiono morfologię powierzchni pierścieni po testach zużycia. Forma cylindra została usunięta, aby lepiej przedstawić morfologię powierzchni i chropowatość powstałą w wyniku procesu zużycia ślizgowego. Znaczna chropowatość powierzchni miała miejsce w wyniku procesu ścierania trzech ciał podczas próby zużycia na sucho 200 obrotów. Blok i pierścień po próbie zużycia na sucho wykazują chropowatość Ra odpowiednio 14,1 i 18,1 µm, w porównaniu do 5,7 i 9,1 µm w długotrwałej próbie zużycia smarowanego 500 000 - obrotów przy wyższej prędkości. Test ten pokazuje, jak ważne jest właściwe smarowanie styku pierścień tłokowy-cylinder. Silne zużycie szybko uszkadza powierzchnię styku bez smarowania i prowadzi do nieodwracalnego pogorszenia jakości obsługi, a nawet do zepsucia silnika.
PODSUMOWANIE
W tym badaniu pokazujemy, w jaki sposób trybometr firmy Nanovea jest używany do oceny zużycia ślizgowego pary stalowo-metalowej przy użyciu modułu Block-on-Ring zgodnie z normą ASTM G77. Smar odgrywa kluczową rolę w właściwościach zużycia pary materiałów. Olej mineralny zmniejsza szybkość zużycia bloku H-30 o współczynnik ~8×10ˆ, a COF ~90 razy. Wszechstronność trybometru Nanovea czyni go idealnym narzędziem do pomiaru zużycia w różnych warunkach smarowania, w wysokiej temperaturze i trybokorozji.
Tribometr Nanovea umożliwia precyzyjne i powtarzalne badania zużycia i tarcia przy użyciu trybów obrotowych i liniowych zgodnych z ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami zużycia w wysokiej temperaturze, smarowania i trybokorozji dostępnymi w jednym wstępnie zintegrowanym systemie. Niezrównany asortyment Nanovea to idealne rozwiązanie do określania pełnego zakresu właściwości tribologicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, powłok i podłoży.
TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI
Ocena zużycia i zarysowania drutu miedzianego poddanego obróbce powierzchniowej
Znaczenie oceny zużycia i zarysowania drutu miedzianego
Miedź ma długą historię stosowania w okablowaniu elektrycznym od czasu wynalezienia elektromagnesu i telegrafu. Przewody miedziane są stosowane w szerokiej gamie urządzeń elektronicznych, takich jak panele, mierniki, komputery, maszyny biznesowe i urządzenia, dzięki ich odporności na korozję, możliwości lutowania i wydajności w podwyższonych temperaturach do 150°C. Około połowa wydobywanej miedzi jest wykorzystywana do produkcji przewodów i kabli elektrycznych.
Jakość powierzchni drutu miedzianego ma kluczowe znaczenie dla wydajności i żywotności aplikacji. Mikro defekty w drutach mogą prowadzić do nadmiernego zużycia, inicjacji i propagacji pęknięć, zmniejszenia przewodności i nieodpowiedniej lutowności. Właściwa obróbka powierzchni drutów miedzianych usuwa defekty powierzchniowe powstałe podczas ciągnienia drutu, poprawiając odporność na korozję, zarysowania i zużycie. Wiele zastosowań lotniczych z drutami miedzianymi wymaga kontrolowanego zachowania, aby zapobiec nieoczekiwanym awariom sprzętu. Wymierne i wiarygodne pomiary są potrzebne do prawidłowej oceny odporności na zużycie i zarysowania powierzchni drutu miedzianego.
Cel pomiaru
W tej aplikacji symulujemy kontrolowany proces zużycia różnych obróbek powierzchni drutu miedzianego. Testowanie zarysowań mierzy obciążenie wymagane do spowodowania zniszczenia obrabianej warstwy powierzchniowej. W tym badaniu zaprezentowano Nanoveę Tribometr oraz Tester mechaniczny jako idealne narzędzia do oceny i kontroli jakości przewodów elektrycznych.
Procedura badania i procedury
Współczynnik tarcia (COF) i odporność na zużycie dwóch różnych obróbek powierzchni drutów miedzianych (drut A i drut B) oceniano za pomocą trybometru Nanovea przy użyciu liniowego modułu zużycia posuwisto-zwrotnego. Materiałem przeciwstawnym stosowanym w tym zastosowaniu jest kulka Al₂O₃ (o średnicy 6 mm). Ślad zużycia zbadano za pomocą urządzenia Nanovea Bezkontaktowy profilometr 3D. Parametry testu podsumowano w Tabeli 1.
Gładka kulka Al₂O₃ jako materiał przeciwny została użyta jako przykład w tym badaniu. Każdy materiał lity o innym kształcie i wykończeniu powierzchni może być zastosowany przy użyciu niestandardowego oprzyrządowania, aby zasymulować rzeczywistą sytuację zastosowania.
Tester mechaniczny firmy Nanovea wyposażony w trzpień diamentowy Rockwell C (promień 100 μm) wykonał testy zarysowania drutów powlekanych pod obciążeniem progresywnym z wykorzystaniem trybu mikro zarysowania. Parametry testu zarysowania oraz geometrię końcówki przedstawiono w tabeli 2.
Wyniki i dyskusja
Zużycie drutu miedzianego:
Rysunek 2 przedstawia ewolucję COF drutów miedzianych podczas testów zużycia. Drut A wykazuje stabilny COF na poziomie ~0,4 podczas całej próby zużycia, natomiast drut B wykazuje COF na poziomie ~0,35 w pierwszych 100 obrotach i stopniowo wzrasta do ~0,4.
Rysunek 3 porównuje ślady zużycia drutów miedzianych po testach. Bezkontaktowy profilometr 3D firmy Nanovea oferował doskonałą analizę szczegółowej morfologii śladów zużycia. Pozwala on na bezpośrednie i dokładne określenie objętości śladów zużycia, zapewniając fundamentalne zrozumienie mechanizmu zużycia. Powierzchnia drutu B ma znaczące uszkodzenia po 600 obrotach w teście zużycia. Widok profilometru 3D pokazuje, że warstwa obrabiana powierzchniowo drutu B została całkowicie usunięta, co znacznie przyspieszyło proces zużycia. Pozostawił to spłaszczoną ścieżkę zużycia na drucie B, gdzie odsłonięty jest miedziany substrat. Może to skutkować znacznym skróceniem żywotności urządzeń elektrycznych, w których drut B jest używany. Dla porównania, drut A wykazuje stosunkowo łagodne zużycie, na co wskazuje płytka ścieżka zużycia na powierzchni. Warstwa poddana obróbce powierzchniowej na drucie A nie została usunięta tak jak warstwa na drucie B w tych samych warunkach.
Odporność na zarysowania powierzchni drutu miedzianego:
Na rysunku 4 przedstawiono ślady zarysowań na przewodach po badaniach. Warstwa ochronna drutu A wykazuje bardzo dobrą odporność na zarysowania. Rozwarstwia się przy obciążeniu ~12,6 N. Dla porównania, warstwa ochronna drutu B uległa zniszczeniu przy obciążeniu ~1,0 N. Tak znacząca różnica w odporności na zarysowania dla tych drutów przyczynia się do ich odporności na zużycie, gdzie drut A posiada znacznie większą odporność na zużycie. Ewolucja siły normalnej, COF i głębokości podczas testów zarysowania pokazana na Rys. 5 dostarcza więcej informacji na temat uszkodzenia powłoki podczas testów.
Wniosek
W tym kontrolowanym badaniu zaprezentowaliśmy trybometr Nanovea przeprowadzający ilościową ocenę odporności na zużycie drutów miedzianych poddanych obróbce powierzchniowej oraz tester mechaniczny Nanovea zapewniający wiarygodną ocenę odporności drutów miedzianych na zarysowania. Obróbka powierzchni drutu odgrywa kluczową rolę we właściwościach tribo-mechanicznych w całym okresie eksploatacji. Odpowiednia obróbka powierzchni drutu A znacznie zwiększyła odporność na zużycie i zarysowania, co ma kluczowe znaczenie dla wydajności i żywotności przewodów elektrycznych w trudnych warunkach.
Trybometr Nanovea oferuje precyzyjne i powtarzalne testy zużycia i tarcia przy użyciu trybów obrotowych i liniowych zgodnych z normami ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami zużycia w wysokich temperaturach, smarowania i tribokorozji dostępnymi w jednym wstępnie zintegrowanym systemie. Niezrównana gama urządzeń Nanovea jest idealnym rozwiązaniem do określania pełnego zakresu właściwości trybologicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, folii i podłoży.
TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI
Tribologia przy obciążeniu dynamicznym
Tribologia przy obciążeniu dynamicznym
Wstęp
Zużycie występuje praktycznie w każdym sektorze przemysłu i powoduje koszty rzędu ~0,75% PKB1. Badania tribologiczne są niezbędne dla poprawy efektywności produkcji, wydajności aplikacji, jak również ochrony materiałów, energii i środowiska. W szerokim zakresie zastosowań trybologicznych nieuchronnie występują wibracje i oscylacje. Nadmierne wibracje zewnętrzne przyspieszają proces zużycia i zmniejszają wydajność pracy, co prowadzi do katastrofalnych awarii części mechanicznych.
Konwencjonalne trybometry z obciążeniem martwym przykładają normalne obciążenia za pomocą ciężarków. Taka technika obciążania nie tylko ogranicza możliwości obciążania do stałego obciążenia, ale również powoduje intensywne niekontrolowane drgania przy wysokich obciążeniach i prędkościach, co prowadzi do ograniczonej i niespójnej oceny zużycia. Wiarygodna ocena wpływu kontrolowanych drgań na zachowanie się materiałów podczas zużycia jest pożądana w badaniach i rozwoju oraz kontroli jakości w różnych zastosowaniach przemysłowych.
Przełomowe wysokie obciążenie Nanovea trybometr posiada maksymalny udźwig 2000 N z systemem dynamicznej kontroli obciążenia. Zaawansowany pneumatyczny system ładowania sprężonym powietrzem umożliwia użytkownikom ocenę zachowania tribologicznego materiału pod wysokimi obciążeniami normalnymi, z zaletą tłumienia niepożądanych wibracji powstałych w procesie zużycia. Dlatego obciążenie mierzone jest bezpośrednio, bez konieczności stosowania sprężyn zderzakowych stosowanych w starszych konstrukcjach. Równoległy moduł obciążenia oscylacyjnego elektromagnesu zapewnia dobrze kontrolowane oscylacje o pożądanej amplitudzie do 20 N i częstotliwości do 150 Hz.
Tarcie mierzone jest z dużą dokładnością bezpośrednio na podstawie siły bocznej przyłożonej do górnego uchwytu. Przemieszczenie jest monitorowane na miejscu, co zapewnia wgląd w ewolucję zużycia testowanych próbek. Test zużycia pod kontrolowanym obciążeniem oscylacyjnym można również przeprowadzić w środowisku korozji, wysokiej temperatury, wilgotności i smarowania, aby symulować rzeczywiste warunki pracy w zastosowaniach tribologicznych. Zintegrowany szybki profilometr bezkontaktowy automatycznie mierzy morfologię i wielkość zużycia w ciągu kilku sekund.
Cel pomiaru
W niniejszej pracy zaprezentowano możliwości Tribometru Nanovea T2000 z dynamicznym obciążeniem w badaniu zachowania tribologicznego różnych próbek powłok i metali w warunkach kontrolowanego obciążenia oscylacyjnego.
Procedura badania
Zachowanie tribologiczne, np. współczynnik tarcia (COF) i odporność na zużycie powłoki odpornej na ścieranie o grubości 300 µm, oceniano i porównywano za pomocą tribometru Nanovea T2000 Tribometer z konwencjonalnym tribometrem przy obciążeniu martwym, stosując ustawienie pin on disk zgodnie z normą ASTM G992.
Oddzielne próbki pokryte Cu i TiN na tle kulki Al₂0₃ o średnicy 6 mm poddanej kontrolowanym oscylacjom oceniano w trybie trybologii obciążenia dynamicznego trybometru Nanovea T2000.
Parametry badań zestawiono w tabeli 1.
Zintegrowany profilometr 3D wyposażony w czujnik liniowy automatycznie skanuje tor zużycia po przeprowadzeniu testów, zapewniając najdokładniejszy pomiar objętości zużycia w ciągu kilku sekund.
Wyniki i dyskusja
Pneumatyczny system załadunku a system martwego obciążenia
Porównano zachowanie tribologiczne powłoki odpornej na zużycie przy użyciu tribometru Nanovea T2000 z konwencjonalnym tribometrem DL (dead load). Ewolucję współczynnika COF powłoki przedstawiono na Rys. 2. Obserwujemy, że podczas testu zużycia powłoka wykazuje porównywalną wartość COF wynoszącą ~0,6. Jednak profile 20 przekrojów poprzecznych w różnych miejscach śladu zużycia na Rys. 3 wskazują, że powłoka uległa znacznie większemu zużyciu w systemie obciążenia martwego.
W procesie zużywania się systemu martwego obciążenia przy dużym obciążeniu i prędkości generowane były intensywne drgania. Ogromny nacisk skoncentrowany na powierzchni styku w połączeniu z dużą prędkością ślizgania się powoduje znaczne drgania masy i struktury prowadzące do przyspieszonego zużycia. Konwencjonalny trybometr z obciążeniem martwym stosuje obciążenie za pomocą ciężarków masowych. Metoda ta jest niezawodna przy niższych obciążeniach styku i łagodnych warunkach zużycia, jednak w agresywnych warunkach zużycia przy wyższych obciążeniach i prędkościach, znaczne wibracje powodują wielokrotne odbijanie się ciężarków, co skutkuje nierównomiernym zużyciem i niewiarygodną oceną tribologiczną. Obliczony współczynnik zużycia wynosi 8,0±2,4 x 10-4 mm3/N m, wykazując wysoki współczynnik zużycia i duże odchylenie standardowe.
Trybometr Nanovea T2000 został zaprojektowany z dynamicznym kontrolnym systemem obciążania w celu tłumienia oscylacji. Stosuje on normalne obciążenie za pomocą sprężonego powietrza, co minimalizuje niepożądane drgania powstające podczas procesu zużywania. Dodatkowo, aktywna kontrola obciążenia w pętli zamkniętej zapewnia przyłożenie stałego obciążenia podczas całego testu zużycia, a trzpień pomiarowy podąża za zmianą głębokości śladu zużycia. Zmierzono znacznie bardziej spójny profil śladu zużycia, jak pokazano na Rys. 3a, co skutkuje niskim wskaźnikiem zużycia wynoszącym 3,4±0,5 x 10-4 mm3/N m.
Analiza śladu zużycia przedstawiona na Rys. 4 potwierdza, że test zużycia wykonany przez pneumatyczny system obciążania sprężonym powietrzem trybometru Nanovea T2000 tworzy gładszy i bardziej spójny ślad zużycia w porównaniu z konwencjonalnym trybometrem z obciążeniem martwym. Ponadto, trybometr Nanovea T2000 mierzy przemieszczenie trzpienia podczas procesu zużywania, zapewniając dalszy wgląd w postęp zużycia w warunkach in situ.
Kontrolowane oscylacje na zużycie próbki Cu
Moduł równolegle oscylującego elektromagnesu obciążeniowego Tribometru Nanovea T2000 umożliwia użytkownikom badanie wpływu oscylacji o kontrolowanej amplitudzie i częstotliwości na zachowanie materiałów pod względem zużycia. COF próbek Cu został zarejestrowany in situ, jak pokazano na Rys. 6. Próbka Cu wykazuje stałą wartość COF ~0,3 podczas pierwszego pomiaru 330 obrotów, co oznacza utworzenie stabilnego kontaktu na interfejsie i stosunkowo gładki ślad zużycia. W miarę kontynuacji testu zużycia, zmiany współczynnika COF wskazują na zmianę mechanizmu zużycia. Dla porównania, testy zużycia pod wpływem oscylacji o amplitudzie 5 N i przy obciążeniu 50 N wykazują inne zachowanie podczas zużycia: COF wzrasta szybko na początku procesu zużycia i wykazuje znaczną zmienność podczas całego testu zużycia. Takie zachowanie COF wskazuje, że narzucona oscylacja w obciążeniu normalnym odgrywa rolę w niestabilnym stanie ślizgowym na styku.
Na rys. 7 porównano morfologię śladu zużycia zmierzoną przez zintegrowany bezkontaktowy profilometr optyczny. Można zauważyć, że próbka Cu pod wpływem kontrolowanej amplitudy oscylacji 5 N wykazuje znacznie większy ślad zużycia o objętości 1,35 x 109 µm3, w porównaniu do 5,03 x 108 µm3 przy braku narzuconej oscylacji. Kontrolowana oscylacja znacznie przyspiesza tempo zużycia o współczynnik ~2,7, pokazując krytyczny wpływ oscylacji na zachowanie zużycia.
Kontrolowana oscylacja na zużycie powłoki TiN
Na rys. 8 przedstawiono COF i ślady zużycia próbki z powłoką TiN. Powłoka TiN wykazuje znacząco różne zachowania w zakresie zużycia pod wpływem oscylacji, na co wskazuje ewolucja COF w trakcie badań. Powłoka TiN wykazuje stały COF wynoszący ~0,3 po okresie docierania na początku testu zużycia, co wynika ze stabilnego kontaktu ślizgowego na styku powłoki TiN i kulki Al₂O₃. Jednak gdy powłoka TiN zaczyna szwankować, kulka Al₂O₃ przenika przez powłokę i ślizga się po świeżym stalowym podłożu pod nią. W tym samym czasie w torze zużycia powstaje znaczna ilość twardych odłamków powłoki TiN, zmieniając stabilne zużycie ślizgowe dwóch ciał w zużycie ścierne trzech ciał. Taka zmiana charakterystyki pary materiałowej prowadzi do zwiększenia zmienności ewolucji COF. Narzucona oscylacja 5 N i 10 N przyspiesza zniszczenie powłoki TiN z ~400 obrotów do poniżej 100 obrotów. Większe ślady zużycia na próbkach powłoki TiN po badaniach zużycia pod wpływem kontrolowanej oscylacji są zgodne z taką zmianą COF.
Wniosek
Zaawansowany pneumatyczny system obciążania Tribometru Nanovea T2000 posiada wewnętrzną zaletę jako naturalnie szybki tłumik drgań w porównaniu do tradycyjnych systemów z obciążeniem martwym. Ta przewaga technologiczna systemów pneumatycznych jest prawdziwa w porównaniu z systemami sterowanymi obciążeniem, które wykorzystują kombinację serwomotorów i sprężyn do przyłożenia obciążenia. Technologia ta zapewnia niezawodną i lepiej kontrolowaną ocenę zużycia przy dużych obciążeniach, jak wykazano w tym badaniu. Ponadto, aktywny system obciążenia w pętli zamkniętej może zmienić normalne obciążenie do pożądanej wartości podczas testów zużycia, aby symulować rzeczywiste zastosowania spotykane w układach hamulcowych.
Zamiast wpływu niekontrolowanych warunków wibracji podczas badań, wykazaliśmy, że Tribometr Nanovea T2000 Dynamic-Load umożliwia użytkownikom ilościową ocenę zachowań tribologicznych materiałów w różnych kontrolowanych warunkach oscylacji. Drgania odgrywają znaczącą rolę w zachowaniu się próbek powłok metalowych i ceramicznych pod wpływem zużycia.
Moduł równoległego obciążenia oscylacyjnego elektromagnesu zapewnia precyzyjnie kontrolowane oscylacje o zadanych amplitudach i częstotliwościach, umożliwiając użytkownikom symulację procesu zużycia w warunkach rzeczywistych, w których wibracje środowiskowe są często istotnym czynnikiem. W obecności narzuconych oscylacji podczas zużycia, zarówno próbki z powłoką Cu jak i TiN wykazują znacznie zwiększoną szybkość zużycia. Ewolucja współczynnika tarcia i przemieszczenie trzpienia pomiarowego mierzone in situ są ważnymi wskaźnikami wydajności materiału podczas zastosowań trybologicznych. Zintegrowany profilometr bezkontaktowy 3D oferuje narzędzie do precyzyjnego pomiaru objętości zużycia i analizy szczegółowej morfologii śladów zużycia w ciągu kilku sekund, zapewniając lepszy wgląd w podstawowe zrozumienie mechanizmu zużycia.
Model T2000 jest wyposażony w samostrojony, wysokiej jakości i o wysokim momencie obrotowym silnik z 20-bitowym wewnętrznym enkoderem prędkości i 16-bitowym zewnętrznym enkoderem położenia. Dzięki temu trybometr może zapewnić niezrównany zakres prędkości obrotowych od 0,01 do 5000 obr/min, które mogą zmieniać się w skokowych zmianach lub w tempie ciągłym. W przeciwieństwie do systemów wykorzystujących czujnik momentu obrotowego umieszczony na dole, trybometr Nanovea wykorzystuje umieszczony na górze precyzyjny czujnik obciążenia do dokładnego i oddzielnego pomiaru sił tarcia.
Tribometry Nanovea oferują precyzyjne i powtarzalne badania zużycia i tarcia w trybach obrotowych i liniowych zgodnych z normami ISO i ASTM (w tym testy z 4 kulami, podkładką oporową i blokiem na pierścieniu), z opcjonalnymi modułami do badań zużycia w wysokich temperaturach, smarowania i tribo-korozji dostępnymi w jednym, wstępnie zintegrowanym systemie. Niezrównany zakres badań Nanovea T2000 stanowi idealne rozwiązanie do określenia pełnego zakresu właściwości trybologicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży.
TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI
Wpływ wilgotności na trybologię powłok DLC
Znaczenie oceny zużycia płyt DLC w warunkach wilgotności
Powłoki z węgla diamentopodobnego (DLC) charakteryzują się podwyższonymi właściwościami tribologicznymi, a mianowicie doskonałą odpornością na zużycie i bardzo niskim współczynnikiem tarcia (COF). Powłoki DLC nadają właściwości diamentu po osadzeniu na różnych materiałach. Korzystne właściwości trybomechaniczne sprawiają, że powłoki DLC są preferowane w różnych zastosowaniach przemysłowych, takich jak części lotnicze, żyletki, narzędzia do cięcia metalu, łożyska, silniki motocykli i implanty medyczne.
Powłoki DLC wykazują bardzo niski współczynnik COF (poniżej 0,1) w stosunku do kulek stalowych w warunkach wysokiej próżni i suchości12. Powłoki DLC są jednak wrażliwe na zmiany warunków środowiskowych, zwłaszcza wilgotności względnej (RH)3. Środowiska o dużej wilgotności i stężeniu tlenu mogą prowadzić do znacznego wzrostu COF4. Niezawodna ocena zużycia w kontrolowanej wilgotności symuluje realistyczne warunki środowiskowe powłok DLC do zastosowań tribologicznych. Użytkownicy wybierają najlepsze powłoki DLC do zastosowań docelowych, po odpowiednim porównaniu
zużycia DLC w warunkach różnej wilgotności.
Cel pomiaru
W tym badaniu zaprezentowano Nanoveę Tribometr wyposażony w regulator wilgotności jest idealnym narzędziem do badania zużycia powłok DLC przy różnej wilgotności względnej.
Procedura badania
Odporność na tarcie i zużycie powłok DLC oceniano za pomocą Tribometru Nanovea. Parametry testu zestawiono w tabeli 1. Zamontowany w trybokomorze regulator wilgotności precyzyjnie kontrolował wilgotność względną (RH) z dokładnością ±1%. Po badaniach zbadano ślady zużycia na powłokach DLC oraz ślady zużycia na kulkach SiN za pomocą mikroskopu optycznego.
Uwaga: Do symulacji działania sprzęgła z różnych materiałów w warunkach środowiskowych, np. w smarze lub w wysokiej temperaturze, można zastosować dowolny materiał, z którego wykonane są kulki.
Wyniki i dyskusja
Powłoki DLC są doskonałe do zastosowań trybologicznych ze względu na ich niskie tarcie i doskonałą odporność na zużycie. Tarcie powłoki DLC wykazuje zachowanie zależne od wilgotności, co przedstawiono na rysunku 2. Powłoka DLC wykazuje bardzo niski współczynnik COF wynoszący ~0,05 podczas całego testu zużycia w warunkach stosunkowo suchych (10% RH). W miarę wzrostu wilgotności względnej do 30% powłoka DLC wykazuje stały współczynnik COF wynoszący ~0,1 podczas testu. Początkowy etap docierania COF jest obserwowany w pierwszych 2000 obrotach, gdy RH wzrasta powyżej 50%. Powłoka DLC wykazuje maksymalny COF wynoszący ~0,20, ~0,26 i ~0,33 przy RH odpowiednio 50, 70 i 90%. Po okresie docierania, COF powłoki DLC pozostaje na stałym poziomie ~0,11, 0,13 i 0,20 przy RH odpowiednio 50, 70 i 90%.
Na rysunku 3 porównano blizny po zużyciu kulek SiN, a na rysunku 4 ślady zużycia powłoki DLC po testach zużycia. Średnica blizny po zużyciu była mniejsza, gdy powłoka DLC była wystawiona na działanie środowiska o niskiej wilgotności. Transferowa warstwa DLC gromadzi się na powierzchni kulki SiN podczas powtarzającego się procesu ślizgania na powierzchni styku. Na tym etapie powłoka DLC ślizga się względem własnej warstwy transferowej, która działa jako skuteczny środek smarny ułatwiający ruch względny i powstrzymujący dalszą utratę masy spowodowaną odkształceniem ścinającym. Warstwa transferowa jest obserwowana w bliźnie po zużyciu kulki SiN w środowiskach o niskiej wilgotności względnej (np. 10% i 30%), co powoduje spowolnienie procesu zużycia kulki. Ten proces zużycia odbija się na morfologii śladu zużycia powłoki DLC, jak pokazano na rysunku 4. Powłoka DLC wykazuje mniejszy ślad zużycia w środowisku suchym, ze względu na tworzenie się stabilnego filmu transferowego DLC na interfejsie kontaktowym, co znacznie zmniejsza tarcie i szybkość zużycia.
Wniosek
Wilgotność odgrywa kluczową rolę w działaniu tribologicznym powłok DLC. Powłoka DLC charakteryzuje się znacznie zwiększoną odpornością na zużycie i wyjątkowo niskim tarciem w warunkach suchych dzięki utworzeniu stabilnej warstwy grafitowej przeniesionej na element ślizgowy (w tym badaniu kulka SiN). Powłoka DLC ślizga się po własnej warstwie transferowej, która działa jak skuteczny środek smarny, ułatwiając ruch względny i powstrzymując dalszą utratę masy spowodowaną odkształceniem ścinającym. Wraz ze wzrostem wilgotności względnej na kulce SiN nie pojawia się film, co prowadzi do zwiększonego zużycia kulki SiN i powłoki DLC.
Trybometr Nanovea umożliwia powtarzalne badania zużycia i tarcia przy użyciu trybów obrotowych i liniowych zgodnych z normami ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami wilgotności dostępnymi w jednym wstępnie zintegrowanym systemie. Pozwala użytkownikom symulować środowisko pracy przy różnej wilgotności, zapewniając użytkownikom idealne narzędzie do ilościowej oceny zachowań tribologicznych materiałów w różnych warunkach pracy.
Dowiedz się więcej o trybometrze Nanovea i usługach laboratoryjnych
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
TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI
Ocena tarcia przy ekstremalnie niskich prędkościach
Znaczenie oceny tarcia przy małych prędkościach
Tarcie jest siłą, która przeciwstawia się względnemu ruchowi powierzchni stałych ślizgających się względem siebie. Gdy dochodzi do ruchu względnego tych dwóch stykających się powierzchni, tarcie na styku przekształca energię kinetyczną w ciepło. Taki proces może również prowadzić do zużycia materiału, a tym samym pogorszenia wydajności użytkowanych części.
Dzięki dużemu współczynnikowi rozciągliwości, wysokiej sprężystości, a także świetnym właściwościom wodoodpornym i odporności na zużycie, guma jest szeroko stosowana w wielu aplikacjach i produktach, w których tarcie odgrywa ważną rolę, takich jak opony samochodowe, pióra wycieraczek, podeszwy butów i wiele innych. W zależności od charakteru i wymagań tych zastosowań, pożądane jest wysokie lub niskie tarcie o różne materiały. W związku z tym, kontrolowany i wiarygodny pomiar tarcia gumy o różne powierzchnie staje się krytyczny.
Cel pomiaru
Współczynnik tarcia (COF) gumy o różne materiały mierzony jest w sposób kontrolowany i monitorowany za pomocą miernika Nanovea Tribometr. W tym badaniu chcielibyśmy zaprezentować możliwości Tribometru Nanovea do pomiaru współczynnika COF różnych materiałów przy ekstremalnie niskich prędkościach.
Wyniki i dyskusja
Współczynnik tarcia (COF) kulek gumowych (6 mm dia., RubberMill) na trzech materiałach (stal nierdzewna SS 316, Cu 110 i opcjonalnie akryl) został oceniony za pomocą Tribometru Nanovea. Badane próbki metalowe przed pomiarem zostały mechanicznie wypolerowane do lustrzanego wykończenia powierzchni. Niewielkie odkształcenie gumowej kulki pod wpływem przyłożonego obciążenia normalnego tworzyło kontakt powierzchniowy, co również pomaga zredukować wpływ asperytów lub niejednorodności wykończenia powierzchni próbki na pomiary COF. Parametry testu zostały podsumowane w tabeli 1.
Współczynnik COF gumowej piłki względem różnych materiałów przy czterech różnych prędkościach pokazano na rysunku. 2, a średnie COF obliczone automatycznie przez oprogramowanie zestawiono i porównano na rysunku 3. Interesujące jest, że próbki metalowe (SS 316 i Cu 110) wykazują znacznie zwiększone COF w miarę wzrostu prędkości obrotowej z bardzo niskiej wartości 0,01 obr/min do 5 obr/min - wartość COF dla pary guma/SS 316 wzrasta z 0,29 do 0,8, a dla pary guma/Cu 110 z 0,65 do 1,1. Stwierdzenie to jest zgodne z wynikami podawanymi w kilku laboratoriach. Zgodnie z propozycją Groscha4 tarcie gumy jest zdeterminowane głównie przez dwa mechanizmy: (1) przyczepność pomiędzy gumą a innym materiałem oraz (2) straty energii spowodowane deformacją gumy wywołaną przez asperity powierzchniowe. Schallamach5 zaobserwowano fale odrywania się gumy od materiału podłoża na styku miękkich kul gumowych i twardej powierzchni. Siła odrywania się gumy od powierzchni podłoża oraz szybkość powstawania fal odrywania może tłumaczyć zróżnicowane tarcie przy różnych prędkościach podczas badania.
Dla porównania, para materiałów gumowo-akrylowych wykazuje wysoki COF przy różnych prędkościach obrotowych. Wartość COF nieznacznie wzrasta z ~ 1,02 do ~ 1,09 wraz ze wzrostem prędkości obrotowej od 0,01 obr/min do 5 obr/min. Tak wysoki współczynnik COF można prawdopodobnie przypisać silniejszemu lokalnemu wiązaniu chemicznemu na powierzchni styku utworzonemu podczas testów.
Wniosek
W tej pracy pokazujemy, że przy ekstremalnie małych prędkościach guma wykazuje osobliwe zachowanie tarciowe - jej tarcie o twardą powierzchnię rośnie wraz ze wzrostem prędkości ruchu względnego. Guma wykazuje różne tarcie, gdy ślizga się po różnych materiałach. Tribometr Nanovea może oceniać właściwości tarcia materiałów w sposób kontrolowany i monitorowany przy różnych prędkościach, co pozwala użytkownikom poprawić fundamentalne zrozumienie mechanizmu tarcia materiałów i wybrać najlepszą parę materiałów do docelowych zastosowań w inżynierii trybologicznej.
Tribometr Nanovea oferuje precyzyjne i powtarzalne badania zużycia i tarcia z wykorzystaniem trybów obrotowych i liniowych zgodnych z normami ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami do badań zużycia w wysokiej temperaturze, smarowania i tribo-korozji dostępnymi w jednym wstępnie zintegrowanym systemie. Urządzenie jest w stanie kontrolować etap obrotowy przy ekstremalnie niskich prędkościach do 0,01 rpm i monitorować ewolucję tarcia in situ. Niezrównana oferta Nanovea jest idealnym rozwiązaniem dla określenia pełnego zakresu właściwości trybologicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży.
TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI
Tribologia polimerów
Wstęp
Polimery mają szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach i stały się nieodzowną częścią życia codziennego. Polimery naturalne, takie jak bursztyn, jedwab i kauczuk naturalny, odegrały istotną rolę w historii ludzkości. Proces wytwarzania polimerów syntetycznych może być zoptymalizowany w celu uzyskania unikalnych właściwości fizycznych, takich jak wytrzymałość, lepkosprężystość, samosmarowność i wiele innych.
Znaczenie zużycia i tarcia polimerów
Polimery są powszechnie stosowane w aplikacjach trybologicznych, takich jak opony, łożyska i taśmy transportowe.
W zależności od właściwości mechanicznych polimeru, warunków kontaktu oraz właściwości pozostałości lub filmu transferowego powstałego w procesie zużycia, występują różne mechanizmy zużycia. Aby zapewnić, że polimery posiadają wystarczającą odporność na zużycie w warunkach eksploatacji, konieczna jest wiarygodna i wymierna ocena tribologiczna. Ocena tribologiczna pozwala nam na ilościowe porównanie zachowania się różnych polimerów pod względem zużycia w sposób kontrolowany i monitorowany, aby wybrać materiał kandydujący do docelowego zastosowania.
Tribometr Nanovea oferuje powtarzalne badania zużycia i tarcia z wykorzystaniem trybów obrotowych i liniowych zgodnych z normami ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami zużycia w wysokiej temperaturze i smarowania dostępnymi w jednym wstępnie zintegrowanym systemie. Ten niezrównany zakres pozwala użytkownikom symulować różne środowiska pracy polimerów, w tym skoncentrowane naprężenia, zużycie i wysoką temperaturę, itp.
CEL POMIARU
W tym badaniu wykazaliśmy, że Nanovea Tribometr jest idealnym narzędziem do porównywania odporności na tarcie i zużycie różnych polimerów w dobrze kontrolowany i ilościowy sposób.
PROCEDURA TESTOWA
Za pomocą Tribometru Nanovea oceniono współczynnik tarcia (COF) i odporność na zużycie różnych popularnych polimerów. Jako materiał licznika (szpilka, próbka statyczna) zastosowano kulkę Al2O3. Ślady zużycia polimerów (dynamicznie obracające się próbki) mierzono za pomocą a bezkontaktowy profilometr 3D i mikroskop optyczny po zakończeniu badań. Należy zauważyć, że opcjonalnie można zastosować bezdotykowy czujnik endoskopowy do pomiaru głębokości, na jaką pin wnika w próbkę dynamiczną podczas testu zużycia. Parametry badania podsumowano w tabeli 1. Szybkość zużycia K oszacowano za pomocą wzoru K=Vl(Fxs), gdzie V to objętość zużycia, F to normalne obciążenie, a s to droga poślizgu.
Należy pamiętać, że w tym badaniu jako materiał przeciwny zastosowano kulki Al2O3. Każdy materiał stały może być zastąpiony w celu dokładniejszej symulacji działania dwóch próbek w rzeczywistych warunkach zastosowania.
WYNIKI I DYSKUSJA
Szybkość zużycia jest istotnym czynnikiem określającym czas użytkowania materiałów, natomiast tarcie odgrywa krytyczną rolę podczas zastosowań tribologicznych. Na rysunku 2 porównano ewolucję współczynnika COF dla różnych polimerów względem kulki Al2O3 podczas testów zużycia. COF działa jako wskaźnik, kiedy dochodzi do awarii i proces zużycia wchodzi w nowy etap. Spośród badanych polimerów, HDPE utrzymuje najniższy stały COF wynoszący ~0,15 podczas całego testu zużycia. Gładki COF sugeruje, że tworzy się stabilny tribo-kontakt.
Rysunek 3 i rysunek 4 porównują ślady zużycia próbek polimerowych po badaniu mierzonym przez mikroskop optyczny. Bezkontaktowy profilometr 3D In-situ dokładnie określa objętość zużycia próbek polimerowych, umożliwiając dokładne obliczenie wskaźników zużycia odpowiednio 0,0029, 0,0020 i 0,0032m3/N m. Dla porównania, próbka CPVC wykazuje najwyższy współczynnik zużycia 0,1121m3/N m. Głębokie równoległe blizny zużycia są obecne w śladach zużycia CPVC.
PODSUMOWANIE
Odporność polimerów na zużycie odgrywa istotną rolę w ich wydajności użytkowej. W tej pracy pokazaliśmy, że Tribometr Nanovea ocenia współczynnik tarcia i szybkość zużywania się różnych polimerów w sposób następujący
w sposób dobrze kontrolowany i ilościowy. HDPE wykazuje najniższy współczynnik COF wynoszący ~0,15 wśród badanych polimerów. Próbki HDPE, Nylonu 66 i Polipropylenu charakteryzują się niskimi wskaźnikami zużycia wynoszącymi odpowiednio 0.0029, 0.0020 i 0.0032 m3/N m. Połączenie niskiego tarcia i dużej odporności na zużycie czyni HDPE dobrym kandydatem do zastosowań tribologicznych polimerów.
Bezkontaktowy profilometr 3D In-situ umożliwia precyzyjny pomiar objętości zużycia i oferuje narzędzie do analizy szczegółowej morfologii śladów zużycia, zapewniając większy wgląd w podstawowe zrozumienie mechanizmów zużycia.
TERAZ POROZMAWIAJMY O TWOJEJ APLIKACJI
Pomiar ciągłej krzywej Stribecka przy użyciu tribometru Pin-on-Disk
Wprowadzenie:
Kiedy smarowanie jest stosowane w celu zmniejszenia zużycia/tarcia powierzchni ruchomych, kontakt smarowy na interfejsie może zmieniać się z kilku reżimów, takich jak smarowanie graniczne, mieszane i hydrodynamiczne. Grubość filmu cieczy odgrywa główną rolę w tym procesie, głównie zależy od lepkości cieczy, obciążenia przyłożonego na interfejsie i względnej prędkości między dwiema powierzchniami. Jak reżimy smarowania reagują na tarcie, pokazuje tzw. krzywa Stribecka [1-4].
W tym badaniu po raz pierwszy demonstrujemy możliwość pomiaru ciągłej krzywej Stribecka. Korzystanie z Nanovei Tribometr zaawansowana, bezstopniowa kontrola prędkości, od 15 000 do 0,01 obr./min, w ciągu 10 minut oprogramowanie bezpośrednio generuje pełną krzywą Stribecka. Prosta konfiguracja początkowa wymaga jedynie wybrania trybu rampy wykładniczej i wprowadzenia prędkości początkowej i końcowej, zamiast konieczności wykonywania wielu testów lub programowania procedury krokowej przy różnych prędkościach, wymagającej łączenia danych dla konwencjonalnych pomiarów krzywej Stribecka. To udoskonalenie zapewnia dokładne dane podczas oceny reżimu smarowania i znacznie skraca czas i koszty. Test pokazuje ogromny potencjał do wykorzystania w różnych zastosowaniach inżynierii przemysłowej.
Porównanie kropli nawilżających do oczu przy użyciu trybometru Nanovea T50
Znaczenie testowania kropli do oczu
Krople do oczu są stosowane w celu złagodzenia objawów spowodowanych przez szereg problemów z oczami. Mogą być na przykład stosowane w leczeniu niewielkiego podrażnienia oczu (np. suchości i zaczerwienienia), opóźnienia wystąpienia jaskry lub leczenia infekcji. Krople do oczu sprzedawane bez recepty są stosowane głównie w leczeniu suchości. Ich skuteczność w smarowaniu oka można porównać i zmierzyć za pomocą testu współczynnika tarcia.
Suchość oczu może być spowodowana wieloma czynnikami, na przykład przemęczeniem oczu przy komputerze lub przebywaniem na zewnątrz w ekstremalnych warunkach pogodowych. Dobre nawilżające krople do oczu pomagają utrzymać i uzupełnić wilgoć na zewnętrznej powierzchni oczu. Dzięki temu łagodzą dyskomfort, pieczenie lub podrażnienie i zaczerwienienie związane z suchością oczu. Mierząc współczynnik tarcia (COF) roztworu kropli do oczu, można określić jego skuteczność smarowania i porównać go z innymi rozwiązaniami.
Cel pomiaru
W tym badaniu zmierzono współczynnik tarcia (COF) trzech różnych smarujących roztworów kropli do oczu, stosując układ pin-on-disk na tribometrze Nanovea T50.
Procedura badania i procedury
Kulisty trzpień o średnicy 6 mm wykonany z tlenku glinu został przyłożony do szklanego szkiełka, przy czym każdy roztwór kropli do oczu działał jako środek smarny pomiędzy dwoma powierzchniami. Parametry badawcze stosowane we wszystkich eksperymentach zestawiono w tabeli 1 poniżej.
Wyniki i dyskusja
Maksymalne, minimalne i średnie wartości współczynnika tarcia dla trzech różnych badanych roztworów kropli do oczu przedstawiono w tabeli 2 poniżej. Wykresy COF v. Obroty dla każdego roztworu kropli do oczu przedstawiono na rysunkach 2-4. Współczynnik COF podczas każdego testu pozostawał względnie stały przez większość całkowitego czasu trwania testu. Próbka A miała najniższy średni COF, co wskazuje na jej najlepsze właściwości smarujące.
Wniosek
W tym badaniu zaprezentowano możliwości Tribometru Nanovea T50 w zakresie pomiaru współczynnika tarcia trzech roztworów kropli do oczu. Na podstawie tych wartości wykazaliśmy, że próbka A miała niższy współczynnik tarcia i dlatego wykazywała lepsze smarowanie w porównaniu do pozostałych dwóch próbek.
Nanovea Tribometry oferuje precyzyjne i powtarzalne badania zużycia i tarcia przy użyciu modułów obrotowych i liniowych zgodnych z ISO i ASTM. Zapewnia także opcjonalne moduły zużywające się w wysokich temperaturach, smarujące i trybokorozyjne, dostępne w jednym, wstępnie zintegrowanym systemie. Taka wszechstronność pozwala użytkownikom lepiej symulować rzeczywiste środowisko aplikacji i poprawić podstawową wiedzę na temat mechanizmu zużycia i właściwości tribologicznych różnych materiałów.
