TECNALIA, Ensayos tribológicos: tipos de ensayos y definición de parámetros, Marta Brizuela

1. Ensayos tribológicos: tipos
de ensayos y definición de
parámetros
Jornada Técnica: Ensayos para Garantizar la Vida en Servicio de nuestros Productos
14.06.2017
Marta Brizuela

2. Índice
Introducción Desgaste
Fricción Evaluación del
comportamiento
tribológico
2 ▌
Ensayo pin-on-disk o
reciprocado
Otros ensayos

3. Del griego ω: frotar, rozar, desgastar
Disciplina que estudia la interacción entre
superficies en contacto y desplazamiento
relativo.
FricciónFricción DesgasteDesgaste LubricaciónLubricación
INTRODUCCIÓN

4. Residencial
35%
Transporte
27%
Industria
29%
Sin uso
9%
Producción mundial de energía (2013)
Transporte
- Sobre un 30% del combustible
se utiliza para superar la fricción
Industria
- Sobre un 20% de la energía se
utiliza para superar la fricción
Existe un extenso campo para:
Eficiencia
Energética
Gastos
derivados
Emisiones
Se estiman pérdidas económicas del 2 al 6% del PIB son
debidas a fenómenos relacionados con la fricción y el
desgaste.
INTRODUCCIÓN

5. Etc.
RodamientosRodamientosPoleasPoleas PistonesPistones
EngranajesEngranajes
CadenasCadenas
HusillosHusillos
VálvulasVálvulas
INTRODUCCIÓN

6. Fricción (fuerza de rozamiento)
Fuerza que se opone al deslizamiento de un
cuerpo sobre otro
=
µ ≡ Coeficiente
de fricción
Amontons
FRICCIÓN

7. Fricción (fuerza de rozamiento)
No depende del área “aparente de contacto
El área real de contacto depende de la rugosidad superficial
y las microasperazas
FRICCIÓN

8. Fricción: Origen
Fuerzas microscópicas de
adhesión
Fuerzas microscópicas de
adhesión
Fuerzas microscópicas de
abrasión
Fuerzas microscópicas de
abrasión
Presencia de moléculas
adsorbidas, óxidos, etc.
Presencia de moléculas
adsorbidas, óxidos, etc.
Fuerzas microscópicas
de deformación
Fuerzas microscópicas
de deformación
FRICCIÓN

9. Fricción: CoF
Coeficiente de proporcionalidad entre la
normal y el rozamiento
=
¿Es el coeficiente de fricción una propiedad
intrínseca de un material?
NO
FRICCIÓN

10. Fricción: CoF
El coeficiente de fricción es muy dependiente
de las condiciones en las que se desarrolla el
movimiento.
Material antagonistaMaterial antagonista TemperaturaTemperatura
Rugosidad superficialRugosidad superficial Atmósfera circundanteAtmósfera circundante
Presencia de lubricantePresencia de lubricante Presión de contactoPresión de contacto
FRICCIÓN

11. Fricción: CoF
Por tanto, el coeficiente de fricción no es una
propiedad del material…
… es una propiedad del SISTEMA
FRICCIÓN

12. Desgaste
En tribología: eliminación (o desplazamiento) de
material de un objeto cuando se encuentra en
contacto y desplazamiento relativo con otro.
Tipos de desgaste
AdhesivoAdhesivo AbrasivoAbrasivo FatigaFatiga QuímicoQuímico
DESGASTE

13. Desgaste: adhesivo
Materiales con
afinidad química
Materiales con
afinidad química
Se producen
microsoldaduras
entre ambas
superficies
Se producen
microsoldaduras
entre ambas
superficies
Rotura y
transferencia de
material debido al
movimiento relativo
Rotura y
transferencia de
material debido al
movimiento relativo
DESGASTE

14. Desgaste: abrasivo
Materiales con
distinta dureza
Materiales con
distinta dureza
Se produce
deformación del
material blando
Se produce
deformación del
material blando
Erosión y formación
de partículas que
incrementan la
abrasión
Erosión y formación
de partículas que
incrementan la
abrasión
Arrastre
Deformación
plástica
Debris

15. Desgaste: fatiga
Ciclos de carga-
descarga de
forma periódica
Ciclos de carga-
descarga de
forma periódica
Tensiones muy
localizadas que
generan grietas
Tensiones muy
localizadas que
generan grietas
Propagación de las
grietas
Propagación de las
grietas
Zona de
tracción Zona de
Compresión

16. Desgaste: químico
Reacciones
químicas
modifican la
superficie
Reacciones
químicas
modifican la
superficie
La capa suele
estar formada por
óxidos
La capa suele
estar formada por
óxidos
Debido a la
fricción la capa es
removida
Debido a la
fricción la capa es
removida
Capa de
reacción

17. El DESGASTE es generalmente
un fenómeno complejo en el que
intervienen muchos parámetros:
CONDICIONES DE LOS MATERIALES
EN CONTACTO
• Dureza
• Composición
• Microestructura
• Propiedades elásticas
• Rugosidad superficial
• Estado superficial
(recubrimientos o tratamientos)
CONDICIONES DE TRABAJO
• Carga
• Velocidad de movimiento
• Geometría de contacto
• Lubricación
• Temperatura
• Humedad
DESGASTE

18. Varilla sobre disco
(ASTM) Varilla sobre placa (reciprocado) Varilla sobre cilindro
Bloque sobre cilindro
(ASTM)
Cuatro bolas
(ASTM)
Cilindros cruzados
(ASTM)
¿Cómo evaluar el comportamiento tribológico de un
componente/material a escala de laboratorio?
Eligiendo el ensayo y los parámetros de ensayo más cercanos
a las condiciones de trabajo.
EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO TRIBOLÓGICO

19. Ensayo TABER
Ensayo FALEX
Ensayo AMSLER
¿Cómo evaluar el comportamiento tribológico de un
componente/material a escala de laboratorio?
Siguiendo la norma que nuestro cliente nos solicita (p.ej.
ASTM G99, etc)
EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO TRIBOLÓGICO

20. ¿Cómo diseñamos un ensayo tribológico?
Intentamos reproducir las condiciones de
trabajo a nivel laboratorio:
Presión de contacto
Materiales en contacto
Rugosidad superficial
Velocidad relativa
Tipo de movimiento
Temperatura
Humedad relativa
Lubricación (inmersión, esprayado,…)
Criterio de finalización del ensayo
(COF, nº de ciclos, distancia,…)
EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO TRIBOLÓGICO
Ensayo pin-on-disc

21. Resistencia
eléctrica
Resistencia
eléctrica
Ensayo pin-on-disk o reciprocado
Se registra Fr(t)Se registra Fr(t)
µ(t)µ(t)
Carga máxima (N) 60
Pesas (g)
Geometría probetas
hasta 60-80mm de
diámetro; espesores de
1 a 15 mm.
Diámetro bola pin
(mm)
5-6-10
Diámetro de huella
(mm)
Velocidad (rpm) 0-500
Registro coef. de
fricción
Sí
Control Humedad Sí
Rango humedad (%) 10-90
Control temperatura Sí
Rango temperatura
(ºC)
Rt-800
Lubricación
Sí(
sumergido/pulverizado)

22. PinPin
Tribómetro
Material
antagonista
Material
antagonista
Usualmente forma esféricaUsualmente forma esférica
Otros contactosOtros contactos
LineLine FlatFlat
Ensayo pin-on-disk o reciprocado

23. Desgaste: medida
Necesitamos obtener el volumen de material
desgastado:
DiscoDisco ContraparteContraparte
Ensayo pin-on-disk o reciprocado

24. Desgaste: medida
Volumen del surco
Pin on Disk
Reciprocado
Ensayo pin-on-disk o reciprocado

25. Desgaste: medida
Volumen del material antagonista
Microscopía óptica
=
3
3
= 1 1
Ensayo pin-on-disk o reciprocado

26. Desgaste: medida
Volumen del material antagonista
Microscopía óptica
=
3
3
= 1 1
Para poder comparar medidas de desgaste:
Velocidad o tasa de desgaste
=
Ensayo pin-on-disk o reciprocado

27. SEM micrograph of wear track of
WC alloyed MoSx film (test ref.
AM 1015)
SEM micrograph of wear
produced on AISI 440C steel ball
(test ref. AM 1015)
X-ray mapping of Mo on the worn
surface of AISI 440C steel ball
(test ref. AM 1015)
SEM micrographs of worn areas after vacuum tribology of MoSx - WC
Lubricating MoSx transferred to
uncoated ball
Uncoated ballMoSx-WC coated disc
Desgaste: Análisis de mecanismos
Ensayo pin-on-disk o reciprocado

28. ¿Qué obtengo de un ensayo tribológico?
Coeficiente de fricciónCoeficiente de fricción
Tasa de desgaste de los
materiales en contacto
Tasa de desgaste de los
materiales en contacto
Mecanismo de desgasteMecanismo de desgaste
En caso de recubrimientos
puede conocerse su
durabilidad
En caso de recubrimientos
puede conocerse su
durabilidad
Resistencia eléctrica
…del tribo-sistema
Ensayo pin-on-disk o reciprocado

29. ¿Por qué realizar un ensayo tribológico?
Seleccionar materiales/recubrimientos
/lubricantes entre distintos proveedores / antes
de lanzar un producto.
Seleccionar materiales/recubrimientos
/lubricantes entre distintos proveedores / antes
de lanzar un producto.
Puede ser un parámetro de calidad para mis
productos si la fricción y el desgaste es clave.
Puede ser un parámetro de calidad para mis
productos si la fricción y el desgaste es clave.
Puede ayudar a entender el por qué de un
comportamiento en servicio
Puede ayudar a entender el por qué de un
comportamiento en servicio

30. ¿Se pueden trasladar los resultados de
un ensayo de laboratorio a cómo va a
trabajar mi componente en condiciones
reales?
Sólo parcialmente, pero nos ayuda a
ver tendencias.
Sólo parcialmente, pero nos ayuda a
ver tendencias.
Ensayo pin-on-disk o reciprocado

31. Problema tipo
Empresa X quiere disminuir el desgaste de una
determinada pieza
Condiciones: Tª, Pcontacto, Vrel, %HR, Lubricación,
etc.
Propuesta soluciones: distinto material,
Tratamiento superficial, coating, TS+coating,
lubricante, etc.
Ensayos: se preparan muestras tipo y se realizan
los ensayos en el tribómetro.
a b c d
Ensayo pin-on-disk o reciprocado

32. 32 ▌32 ▌
Ensayos de abrasión
OTROS ENSAYOS

33. Se utilizan dos métodos de ensayos principalmente:
Abrasión por caída de arena. ASTM D968
Se vierte un abrasivo por un embudo y se dirige por el tubo hasta
que incide en la bandeja de ensayo. Se determina la pérdida de
espesor.
Aplicable a recubrimientos de suelo y a recubrimientos de cubiertas
de embarcaciones empleando carburo de silicio como abrasivo
Abrasión TABER. ASTM D4060 / UNE 48250
Es el más utilizado y repetitivo
Se someten las probetas a la acción abrasiva de dos discos abrasivos
sometidos a una carga determinada. Se determina el índice de
abrasión a partir de la pérdida de masa de la probeta y el nº de
ciclos
Ensayos de abrasión

34. 34 ▌34 ▌
Ensayos de abrasión por
incidencia de partículas
OTROS ENSAYOS

35. Erosion tests by
solid particle impingement
35 ▌
These tests are performed in TECNALIA typically to evaluate if a material/component
can be stored and operated under blowing sand conditions without degradation of
its performance, effectiveness, reliability and maintainability due to abrasion/erosion.
This test method is routinely used in the laboratory to measure the degradation due
to solid particle erosion of different materials (paints, composites, metallic alloys,
coatings, etc.), e.g. as a screening test for ranking materials in simulated service
environments; component life estimation; etc.
Tests are typically performed under procedures based on the indications of the
following standards:
ASTM G76-95. Standard Test Method for Conducting Erosion Tests by Solid Particle
Impingement Using Gas Jets.
ASTM G40 Terminology relating to wear and Erosion.
MIL-STD-3033 Particle / Sand erosion testing of rotor blade protective materials
OTROS ENSAYOS

36. Erosion tests by
solid particle impingement
36 ▌
Tests are carried out with jet nozzle type
erosion equipment.
This equipment can be operated under
different conditions:
Different nozzles, which allows the use of a
variety of abrasives efficiently.
Working pressure from 0.1 bar to 7 bar.
Remote control.
Calibration and precise control for the flow of
incident abrasive particles.
No decompression of the tank containing the
abrasive material, i.e. regular and continuous
particle flow.
Different angles of incidence.
OTROS ENSAYOS

37. Erosion tests by
solid particle impingement
37 ▌
Methodology
Test procedures are typically tailored to the working conditions / specifications.
Particle selection: They can be client specific or defined based on on-site particle
sample analyses: composition, size, morphology, etc.
Test conditions: They can be client specific or defined based on experience,
literature, etc.
After-test sample evaluation: It is performed following clients` indications or
otherwise defined based on the material characteristics, application and an ample set
of analysis techniques, e.g. weight loss, profile analysis, spectrophotometric analysis,
etc.
OTROS ENSAYOS

38. Erosion tests by
solid particle impingement
38 ▌
Examples
Particle erosion test are relevant and have been performed for a number of
sectors:
Electrical transmission OH
lines.
Wind mills.
Solar power stations.
High speed trains.
Aircraft components.
…
OTROS ENSAYOS

39. 39 ▌39 ▌
Ensayos de erosión por
lluvia

40. Erosion tests by
rain erosion
40 ▌
The aim of the rain erosion test is to evaluate the erosion generated by rain droplets
on blade coatings at high speed.
A 3 arm rotating apparatus has been designed according to ASTM G73-10
“Standard Test Method for Liquid Impingement Erosion Using Rotating Apparatus”.
Wind energy and aeronautic sectors as main potential users of the device.
OTROS ENSAYOS

41. 41 ▌
Tecnalia is participating as national expert in the working group that is defining the
new ISO Standard “Determination and evaluation of resistance to rain erosion
using rotating arm” (ISO/TC 35/SC 9/WC 32 working group).
Erosion tests by
rain erosion
Samples are placed on each of its three arms.
Different pre and post weathering processes can be
performed at Tecnalia (UV, saline chamber, climatic
chamber, ...)
Up to 175m/s speed in arm’s tips.
Rain density between 30 and 35 mm/h
Rain droplet size: 1-2 mm
Room temperature
Different “rain” compositions can be tested
(deionized water, tap water, artificial sea water, …).
Highly versatile configuration (both services and
RTD projects)
Test is stopped each 30’ and damages in the profiles
are quantified
OTROS ENSAYOS

42. Erosion tests by
rain erosion
42 ▌
50 mm diameter plain profiles: test at a
single speed for the whole profile, which
can be disposed in different angles
simulating several real use situations
Rain erosion test has been designed to test materials coated in two types of profiles:
225 mm long U-shape: while linear
speed at the tip of the profile is 175m/s,
the inner part of the profile will remain at
114m/s, with a complete range of
intermediate speeds along the profile.
This allows to identify the exact speed at
which erosion will initiate in wind blade.
OTROS ENSAYOS

43. Erosion tests by
rain erosion
43 ▌
Rain erosion test are relevant for a number of sectors:
Offshore wind
mills.
Aircraft
components.
Coating
manufacturers.
…

44. Visita nuestro blog:
http://blogs.tecnalia.com/inspiring-blog/
www.tecnalia.com
Gracias por su atención !!!
marta.brizuela@tecnalia.com