TEST TRIBOLOGICI - CSM Instruments
TEST TRIBOLOGICI - CSM Instruments
TEST TRIBOLOGICI - CSM Instruments
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Novità strumentali e applicazioni<br />
in Tribologia<br />
Technical Workshop<br />
Brescia, 17.04.2012<br />
Mario Da Prada
Programma presentazione<br />
Principi di Tribologia e Strumentazione<br />
Tribometri <strong>CSM</strong><br />
Presentazione del Tribometro standard e applicazioni<br />
Nanotribometro: nuova generazione di strumento e applicazioni
BASI TEORICHE DI TRIBOLOGIA<br />
‘Tribologia deriva dal greco 'Τριβος' ("tribos")<br />
che significa 'strofinamento‘<br />
e 'λόγος'("logos") che significa 'ragionamento'.<br />
Tribologia è definita come la scienza e la tecnologia<br />
delle superfici a contatto e in moto relativo<br />
La tribologia è<br />
la scienza che studia : l'attrito<br />
l'usura<br />
la lubrificazione
F<br />
BASI TEORICHE DI TRIBOLOGIA<br />
Leggi che governano l’attrito<br />
L L<br />
Coefficiente d’attrito, µ = F/L (Legge di Amontons)<br />
Forza d’attrito = µ X Forza Normale<br />
F<br />
Leggi dell’attrito: (1) La forza d’attrito è proporzionale alla forza normale<br />
(2) La forza d’attrito non dipende dall’area di contatto<br />
(3) La forza d’attrito non dipende dalla velocità relativa<br />
di strisciamento di un corpo sull'altro
BASI TEORICHE DI TRIBOLOGIA<br />
USURA<br />
•L’usura avviene quando 2 superfici solide<br />
scorrono una rispetto all’altra<br />
•L’usura può essere di tipo adesiva o<br />
abrasiva e può causare scalfitura,<br />
strappamento, macinazione o erosione.<br />
•L’usura è spesso analizzata da test<br />
dove uno dei componenti<br />
dell’accoppiamento<br />
è il campione e l’altro il riferimento<br />
Contatto conforme<br />
Contatto non-conforme
1. Plasticità-dominante<br />
2. Ossidativa<br />
3. Lubrificata/non-lubrificata<br />
BASI TEORICHE DI TRIBOLOGIA<br />
Tipi d’usura<br />
4. Fretting – materiali soggetti a vibrazioni e scorrimenti di piccola entità<br />
5. Brittle fracture (frattura fragile tipica dei ceramici)<br />
6. Interfacciale & coesiva (polimeri)<br />
7. Fatica<br />
8. Abrasione di particelle
BASI TEORICHE DI TRIBOLOGIA<br />
Usura a plasticità-dominante<br />
• La deformazione plastica è un meccanismo<br />
che può causare un’usura grave in molti casi<br />
• Spesso è difficile riconoscerla ma l’esame<br />
della superficie consumata e l’analisi della<br />
rottura aiuta nell’identificazione<br />
• L’esempio mostra la deformazione plastica di una<br />
asperità e il successivo distacco di un grano d’usura:<br />
la deformazione di piani successivi (e.g., piano AC)<br />
avviene insieme alla propagazione di una cricca (AD),<br />
fino al completo distacco del grano
BASI TEORICHE DI TRIBOLOGIA<br />
Usura con formazione di particelle<br />
• La rotturà di un’asperità produce un frammento<br />
sul materiale da esaminare e il suo trasferimento<br />
al partner forma una piccola particella<br />
• Continuando con lo scorrimento la particella<br />
formata può di nuovo interagire producendo<br />
più frammenti che possono crescere a formare<br />
una grossa particella<br />
• Questa particella cresciuta può sopportare il<br />
peso totale fra le due superfici e quindi la<br />
successiva deformazione plastica produrre un<br />
grosso danno locale
BASI TEORICHE DI TRIBOLOGIA<br />
Usura da Fretting<br />
•‘Fretting’ è un piccolo movimento<br />
oscillatorio tra due superfici a contatto<br />
•Fretting può essere visto come l’usura<br />
di un un movimento oscillatotorio ma con<br />
un’ampiezza d’oscillazione molto piccola<br />
•Fretting è spesso associato con il fenomeno<br />
di stick-slip (arresto-distacco) e l’usura<br />
dipende con l’ampiezza dello spostamento<br />
•Stick-slip e fretting spesso è osservato nei<br />
MEMS dove solitamente si hanno piccole<br />
oscillazioni
BASI TEORICHE DI TRIBOLOGIA<br />
L’usura abrasiva può essere di 3 tipi:<br />
a 2 corpi, a 3 corpi o per erosione<br />
Usura abrasiva<br />
• l’usura abrasiva dipende dalla grandezza,<br />
forma, durezza e distribuzione delle particelle<br />
• il meccanismo può coinvolgere sia<br />
l’usura plastica che la frattura fragile<br />
•La formazione di cricche gioca un<br />
ruolo importante nella rottura fragile
Ring-on-Ring Face-to-Face<br />
Pin-on-Disk<br />
Block-on-Ring<br />
BASI TEORICHE DI TRIBOLOGIA<br />
STUDIO dell’usura da scorrimento<br />
Pin-on-Rim<br />
Pin-on-Flat<br />
• L’usura da scorrimento può essere studiata<br />
con condizioni sperimentali diverse fra loro<br />
• La simulazione del meccanismo d’usura può<br />
essere effettuato in condizioni (temperatura,<br />
ambiente, etc) controllate<br />
• Sia l’attrito che l’usura dipendono dalle<br />
condizioni dello scorrimento: anche piccoli<br />
cambiamenti possono far cambiare i<br />
meccanismi di usura<br />
• Gli strumenti per lo studio sono chiamati<br />
Tribometri o Tribotesters
<strong>TEST</strong> <strong>TRIBOLOGICI</strong><br />
“Un’esperimento mal strutturato produce informazioni inutili”<br />
La tribologia è<br />
una scienza interdisciplinare e questo purtroppo significa:<br />
• I chimici cercano di essere ingegneri senza averne l’esperienza<br />
e le conoscenze<br />
• Gli ingegeneri producono test dal punto di vista meccanico senza<br />
considerare la chimica o la fisica del processo tribologico che<br />
stanno cercando di modellizzare
<strong>TEST</strong> <strong>TRIBOLOGICI</strong><br />
• I risultati non dipendono da una singola “proprietà” del materiale<br />
ma da come il materiale si comporta quando è messo in un sistema<br />
complesso<br />
• L’attrito e l’usura non sono proprietà intrinseche del materiale ma<br />
dipendono dalle condizioni in cui il materiale viene utilizzato<br />
• L’aspetto più importante è l’interfaccia tra i materiali in contatto e<br />
questa è difficilmente descrivibile
<strong>TEST</strong> <strong>TRIBOLOGICI</strong><br />
Le condizioni d’usura in esercizio coinvolgono più<br />
Perciò è molto importante l’approccio considerando<br />
i diversi tipi d’usura coinvolti<br />
di un tipo di usura:
<strong>TEST</strong> <strong>TRIBOLOGICI</strong><br />
La cosa più ovvia sarebbe di avere le informazioni su attrito ed usura testando<br />
i materiali o i lubrificanti con l’applicazione finale.<br />
MA : Quanto costa?<br />
Quant’è complesso il sistema?<br />
Come possono essere controllati accuratamente i parametri?<br />
Qual’è la flessibilità?Quant’è riproducibile?<br />
ESEMPIO: Il test su strada per 100.000 km non è il modo migliore o più<br />
economico per valutare un nuovo olio per motore<br />
Un semplice test da banco genera informazioni più veloci, economiche e<br />
riproducibili di un test in esercizio
Quale livello di test è<br />
<strong>TEST</strong> <strong>TRIBOLOGICI</strong><br />
più appropriato?
<strong>TEST</strong> <strong>TRIBOLOGICI</strong><br />
Quali sono le esatte condizioni operative?
<strong>TEST</strong> DA BANCO:<br />
<strong>TEST</strong> <strong>TRIBOLOGICI</strong><br />
•Si vogliono simulare le reali condizioni operative (se si conoscono!)<br />
•Identificare le condizioni di contatto può essere molto difficile, sia nelle<br />
condizioni operative che nei test da banco<br />
• Cercare di cambiare le variabili dipendenti fra loro del processo reale in<br />
indipendenti e non interlacciate (e quindi controllabili) nel test<br />
• Creare un modello adeguato che simuli il meccanismo di usura e/o di rottura
TRIBOMETRI<br />
Lo scopo del tribometro è di poter fare test dinamici di<br />
misura dell’attrito e dell’usura<br />
Simulare le reali condizioni d’attrito<br />
Tribometro<br />
Semplicità d’uso<br />
Alta riprobucibilità della misura<br />
Parametro misurato<br />
Coefficiente d’attrito<br />
Parametri controllabili<br />
Carico applicato<br />
Velocitò<br />
Partner statico (forma, geometria, materiale,…)<br />
Condizioni ambientali (umidità, temperatura, lubrificante, vuoto,…..)
<strong>CSM</strong> <strong>Instruments</strong><br />
Tribometers
<strong>TEST</strong> TRIBOLOGICO con strumenti <strong>CSM</strong><br />
Hardness<br />
Elastic Modulus<br />
Surface Roughness<br />
Surface Treatment<br />
Environment (T, RH, V)<br />
Speed<br />
Pin<br />
o ball<br />
Disk<br />
Lubricants<br />
Load Applied<br />
Contact Area<br />
Local Stresses<br />
Wear mechanism
<strong>CSM</strong> <strong>Instruments</strong>: Range of Tribometers<br />
For TRB and THT, a Vacuum option is available<br />
MICRO/MACRO<br />
TRB<br />
MICRO/MACRO<br />
THT<br />
NANO<br />
NTR<br />
Tribometer High Temperature Tribometer Nano Tribometer<br />
0.25N – 60N<br />
0.25N – 60N 5�N – 1N
Pin or ball on-Disk Tribometer principle<br />
traccia d’usura<br />
Rotating disc<br />
Forza applicata<br />
Forza<br />
d’attrito<br />
Coefficiente d’attrito<br />
Tasso d’usura<br />
Osservazione traccia d’usura<br />
•Caratteristiche che legano l’usura con<br />
le strutture superficiali<br />
• Modellizzazione e previsione<br />
dell’usura<br />
• Miglioramento della resistenza<br />
all’usura dei materiali
Pin-on-Disk Tribometer<br />
Ball-on-disk:<br />
Pin-on-disk:<br />
Pin or ball<br />
Weight 1, 2, 5, 10 N<br />
Sample<br />
Elastic arm<br />
•Rotation speed: 0.03 – 500 rpm<br />
•Standard loads: 1, 2, 5, 10 N (max. 60 N)<br />
•Disk diameter: up to 60 mm<br />
•Friction force: up to 10 N<br />
Friction force<br />
sensor
Pin-on-Disk Tribometer<br />
Sensor for<br />
friction force<br />
Elastic arm<br />
Load<br />
Il sensore di forza d’attrito è un sensore LVDT. LVDT è un acronimo che<br />
significa Linear Variable Differential Transformer, è cioè un trasduttore<br />
elettromeccanico che converte un movimento rettilineo di un oggetto a cui è<br />
accoppiato meccanicamente in un corrispondente segnale elettrico<br />
Sample<br />
Fastener<br />
chuck
Pin-on-Disk Tribometer
Options<br />
Linear Reciprocating<br />
Liquid/Heating<br />
Electrical Contact Resistance<br />
Continuous Wear Depth
TRIBOMETER: LINEAR RECIPROCATING
Friction Coefficient, µ<br />
0.40<br />
0.30<br />
0.20<br />
0.10<br />
0.00<br />
-0.10<br />
-0.20<br />
-0.30<br />
-0.40<br />
TRIBOMETER: LINEAR RECIPROCATING<br />
0 10 20 30 40 50 60<br />
Distance (m)<br />
Friction Coefficient, µ<br />
0.25<br />
0.20<br />
0.15<br />
0.10<br />
0.05<br />
0.00<br />
-0.05<br />
-0.10<br />
-0.15<br />
-0.20<br />
-0.25<br />
32.60 32.70 32.80 32.90 33.00 33.10 33.20 33.30 33.40<br />
Distance (m)
Pin-on-Disk Tribometer: Linear Reciprocating<br />
A: Static Coefficient of Friction<br />
B: Dynamic (Sliding) Friction
Pin-on-Disk Tribometer: Linear Reciprocating<br />
Data Extraction<br />
Forward Direction: 1 st<br />
Reverse Direction: 2 nd<br />
Way Extraction<br />
Way Extraction<br />
Average of both: 2 Way Extraction
Tribometro con Profilometro<br />
• Dedicato alla misura della<br />
sezione della traccia di usura in<br />
modo da determinare il tasso<br />
d’usura.<br />
• Può essere usato sia alla fine<br />
del test o direttamente sul<br />
campione durante il test
Applicazioni Industriali
Ricoprimenti duri<br />
Utensili da taglio: punte, inserti, creatori, etc………<br />
Industria auto: iniettori, fasce elastiche pistoni<br />
Applicazioni nel settore «<br />
decorativo »
Hard coatings<br />
Può essere interessante sospendere il test per osservare l’usura
Hard coatings<br />
Usura e attrito di un ricoprimento di<br />
Tasso d’usura<br />
Rupture<br />
CrN su acciao rapido<br />
traccia d’usura CrN<br />
Coefficiente d’attrito del CrN<br />
prima della sua rottura
Coatings antiriflesso su vetro<br />
Automotive: parabrezza e vetri<br />
Industria orologi<br />
Occhiali, lenti
Friction Coefficient (µ)<br />
0.40<br />
0.35<br />
0.30<br />
0.25<br />
0.20<br />
0.15<br />
0.80<br />
0.70<br />
0.60<br />
0.50<br />
0.40<br />
0.30<br />
0.20<br />
0.10<br />
0.00<br />
Friction Coefficient (µ) 0.10<br />
//// Film polimerici su titanio per protesi<br />
Average µ = 0.26<br />
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.0<br />
Distance (km)<br />
Average µ = 0.43<br />
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.0<br />
Distance (km)
Studio con opzione riscalamento<br />
Motori auto: ottimizzazione olio<br />
Biomateriali: simulazione condizioni in-vivo
Studio di lubrificanti con opzione<br />
riscalamento<br />
Coefficiente d’attrito dopo test a 120°C dalla duratadi 60 minuti<br />
(velocità 30 rpm). Sia sfera che disco sono di acciaio 100Cr6<br />
Valori proporzionali sono stati ottenuti per il tasso d’usura
New Generation<br />
Nano Tribometer (NTR 2 )
NTR 2 : New generation<br />
Previous<br />
NanoTribometer<br />
New (TTX Platform)<br />
NanoTribometer
NTR 2 : Description<br />
Manual Z<br />
approach<br />
(fine & coarse)<br />
Measurement<br />
head<br />
TTX<br />
Platform<br />
Optional video<br />
microscope<br />
Motion module:<br />
Linear or Rotative<br />
Displacement table<br />
(Manual or Motorized)
NTR 2 : <strong>TEST</strong>A DI MISURA<br />
Dual beam<br />
Cantilever<br />
Misura delle forze:<br />
Porta<br />
punta<br />
AttuatorePiezo<br />
(con servo loop)<br />
Sensori capacitivi per misura Fn & Ft<br />
cantilever elastico a doppio raggio calibrato per la deflessione<br />
normale e laterale
NTR 2 : List of Cantilevers<br />
High<br />
Friction*<br />
Ft = Fnx5<br />
Standard<br />
Ft = Fn<br />
Low<br />
Friction*<br />
Ft = Fn/5<br />
Low Load<br />
10 mN<br />
HR-H<br />
Fn: 10 mN<br />
Ft: 50 mN<br />
HR<br />
Fn: 10 mN<br />
Ft: 10 mN<br />
Standard Load<br />
100 mN<br />
ST-H<br />
Fn: 100 mN<br />
Ft: 500 mN<br />
ST<br />
Fn: 100 mN<br />
Ft: 100 mN<br />
ST-L<br />
Fn: 100 mN<br />
Ft: 20 mN<br />
* Special cantilevers: Higher price, availability upon request<br />
High Load<br />
1 N<br />
HL<br />
Fn: 1 N<br />
Ft: 1 N<br />
HL-L<br />
Fn: 1 N<br />
Ft: 200 mN<br />
Balls:<br />
- different diameters: 1, 1.5, 2 mm<br />
- different materials: 100Cr6, Sapphire, Al2O3, Si3N4, WC, …
NTR 2 : Linear and Rotative modules<br />
Rotative POD Module:<br />
• Speed: max 200 rpm, min 0.5 rpm<br />
• Angular sensor<br />
• One way or reciprocating mode<br />
Linear Module:<br />
• Stroke: max 5mm or 2mm, min 2 µm<br />
• Voice-coil actuator & LVDT sensor<br />
• Sinusoïdal or triangular (constant speed) stroke
‘POD reciprocating’: multi cycle reciprocating<br />
Sample<br />
n cycles<br />
Wear track
Rotative displacement<br />
Rotative mode<br />
also includes the « Multi Cycle Reciprocating » mode<br />
Multi Cycle Reciprocating<br />
Rotative<br />
2 measuring modes are included with the rotative module !
Applicazioni
Applicazioni<br />
-GENERALE:<br />
studio interfacce e fenomeni adesione<br />
-MEMS:<br />
fenomeni adesione verticali e laterali<br />
Basso attrito tra componenti<br />
- Polimeri:<br />
-<br />
-<br />
Basso attrito, adesione, striction, sliding<br />
Micro et Nanotribologia<br />
piccole parti<br />
Lubrificanti<br />
-Biomateriali<br />
tessuti, basso attrito, adesione
Wafers<br />
Thin films on wafer substrate in linear mode<br />
Substrate: Si(100)<br />
Coating:<br />
CrN<br />
Thickness: 1 micron<br />
Friction Coefficient vs Time<br />
Smooth Si3N4 Ball<br />
2 mm<br />
Sample
Wafers<br />
Thin films on wafer substrate<br />
Friction Coefficient vs Position<br />
(Cycle Explorer : 10 cycles superimposed)
Contact Lenses<br />
Contact Lens Frictional Behavior in Ambient and Liquid<br />
Environments
Coefficient of Friction (µ)<br />
0.15<br />
0.1<br />
0.05<br />
-0.05<br />
-0.1<br />
-0.15<br />
//// Contact lenses<br />
Contact Lens<br />
Frictional Behavior<br />
in Ambient and Liquid<br />
Environments<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100<br />
Displacement in X direction (µm)<br />
Sample: Contact Lens Contact Lens<br />
Environment: Ambient Liquid<br />
Mode:<br />
Linear-<br />
Reciprocating<br />
Normal Load (mN): 4.5 4.5<br />
Frequency (Hz): 0.2 0.2<br />
Testing Time (s) 100 100<br />
Number of Cycles 20 20<br />
Stroke Length (µm) 90 90<br />
Linear-<br />
Reciprocating<br />
Static Partner: 3mm - Ruby 3mm - Ruby
Key avantages<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Unique product<br />
Double beam<br />
High resolution<br />
Low<br />
noise floor<br />
Nano Tribometer<br />
(NTR 2 ) with<br />
cantilever<br />
capacitive sensors<br />
and high<br />
unique functionalities<br />
stability<br />
Microscope integrated (optional)<br />
:
Thank you for your attention
Change language