Propiedades tribológicas de alta

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13180 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Una lubricación inadecuada de las dos superficies en contacto durante la fricción puede provocar un desgaste severo, especialmente en el corte de metales. Por lo tanto, se propuso una superficie con efecto antifricción sinérgico de textura y lubricante sólido para mejorar la lubricación. Se preparó mediante láser una textura de malla con excelente humectabilidad sobre la superficie de acero de alta velocidad (HSS) y luego se implantaron fibras de nailon verticalmente en las ranuras de la textura utilizando la tecnología de flocado electrostático. La fricción y el estado de desgaste de diferentes superficies (lisas, texturizadas, flocadas) en condiciones secas/lubricadas con aceite se estudiaron mediante un probador de desgaste alternativo lineal. Se utilizó el coeficiente de fricción (COF) en diferentes condiciones de trabajo para analizar las propiedades antifricción y la tasa de desgaste para evaluar la resistencia al desgaste de la superficie. Los resultados mostraron que las propiedades tribológicas de las superficies flocadas eran mejores que las de las otras dos superficies. Esto se debe a que la adición de fibras de nailon facilita el corte en los bordes de la textura. Las fibras rotas forman una película lubricante sólida sobre la superficie de la muestra, lo que evita que la superficie sea rayada por los desechos. Además, se encuentra que el COF disminuye al aumentar la carga. Finalmente, la rápida humectabilidad de las gotas de aceite sobre la superficie flocada muestra el gran potencial de la superficie para la lubricación y la antifricción.

El desgaste causado por la fricción es una de las principales razones de fallas de equipos y piezas1. Por lo tanto, la investigación sobre la reducción de la fricción ha atraído la atención de muchos estudiosos, centrándose principalmente en nuevos materiales, textura de superficies, revestimientos, lubricantes y otros aspectos. En el campo del procesamiento de corte de metales, el material se frota violentamente con la superficie de la herramienta, creando así un área de alta temperatura y alta presión en la punta de la herramienta, lo que evita que el lubricante entre y afecte gravemente la vida útil de la herramienta. herramienta.

Se ha prestado mucha atención a las superficies texturizadas debido a sus buenas propiedades tribológicas, pero el estado de la técnica presentado es bastante breve e incompleto. Según Grutzmacher et al.2, las texturas tienen la función de almacenar residuos y lubricantes, reducir el área de contacto real y ayudar a aumentar la presión hidrodinámica. Cheng et al.3 investigaron la fricción y el desgaste de diferentes superficies texturizadas y exploraron los efectos de la profundidad, la rugosidad y la carga en la fricción interfacial utilizando un modelo híbrido de lubricación elastomérica. Wei et al.4 prepararon cuatro tipos de superficies texturizadas con diferentes densidades de área y llevaron a cabo pruebas de desgaste de disco de bolas. Los resultados demostraron que las texturas mejoraron significativamente la resistencia al desgaste del material del sustrato, y el efecto de lubricación hidrodinámica causado por la textura es la razón principal de la reducción de la fricción. Wan et al.5 encontraron que las superficies con texturas tienen el COF más pequeño y la curva del COF es más estable que la de la superficie sin textura. Costa et al.6 analizaron la antifricción de superficies texturizadas en diferentes aplicaciones y destacaron las grandes ventajas del procesamiento láser en la preparación de texturas. Sin embargo, Marian et al.7 señalaron que las texturas para controlar la fricción y el desgaste en tribocontactos lubricados aún están en fase de prueba y error.

Una mayor optimización de la lubricación de las superficies texturizadas puede reducir la fricción y el desgaste, mejorando así la eficiencia energética y la sostenibilidad. Rellenar la textura con lubricantes sólidos ha llamado mucho la atención debido a su conveniente preparación y propiedades autolubricantes. Li et al.8 depositaron metal blando (plata) en la textura y verificaron que la superficie no tiene un efecto evidente en la reducción de la fricción a temperatura ambiente, mientras que la antifricción es mejor a 200 °C, 400 °C y 300 °C. . Además, el almacenamiento de lubricante en la textura tiene un efecto más significativo en la reducción de la fricción a temperaturas superiores a 400 °C. Mi et al.9 investigaron el rendimiento del desgaste de la superficie texturizada rellena con lubricante sólido WC/Cu. Los restos de desgaste formaron una película lubricante en la superficie de la fase Cu, y la fase Cu formó una película autolubricante en las islas duras del WC. Por lo tanto, la formación de la película lubricante sobre la superficie de desgaste disminuyó el COF y mejoró la resistencia al desgaste. Huang et al.10 utilizaron un método de revestimiento químico para depositar lubricante sólido Ag/MoS2 en las fosas y realizaron pruebas de desgaste; los resultados mostraron que el COF y el desgaste se redujeron considerablemente porque el lubricante sólido forma una película lubricante en la superficie. Además, Yin et al.11 rociaron lubricante sólido no metálico (partículas de grafito) sobre una superficie texturizada y concluyeron que el grafito mejoraba significativamente las propiedades tribológicas de la superficie mediante pruebas de desgaste. Meng et al.12 investigaron la antifricción de diferentes tipos de lubricantes sólidos (CaF2, WS2 y grafito) en texturas. Llegaron a la conclusión de que las texturas rellenas con lubricantes sólidos WS2 o de grafito mostraban un COF relativamente bajo, y la presencia de una película lubricante en la región de fricción protegía las muestras de mayores daños por desgaste. Wang et al.13 rellenaron la textura del lubricante sólido compuesto manteniendo el proceso de deposición por presión. Las pruebas de fricción demostraron que la textura actúa como un depósito de lubricante, liberando gradualmente el lubricante en la región de contacto deslizante durante el deslizamiento, y las nanofibras de carbono en el lubricante sólido compuesto tienen la mayor contribución a la reducción del coeficiente de fricción. Hua et al.14 investigaron las propiedades de fricción de la textura rellena con poliimida como lubricante sólido en el rango de temperatura ambiente a 400 °C. Los resultados demostraron que el COF de la superficie texturizada rellena con el lubricante flexible era significativamente menor y más estable. Rosenkranz et al.15 señalaron en una revisión que la combinación de textura y lubricantes sólidos es un enfoque prometedor para lograr superficies con fricción o comportamiento de desgaste ajustables. Sin embargo, todavía hay muchas oportunidades para seguir mejorando y optimizando la tecnología para maximizar las sinergias entre texturas y lubricantes sólidos.

La uniformidad del lubricante sólido afecta en gran medida las propiedades tribológicas de la superficie texturizada. Desde el punto de vista de la uniformidad del llenado, es digno de interés un método de llenado eficiente, de bajo costo y de alta uniformidad. La tecnología de flocado electrostático se considera una nueva técnica de modificación de la superficie para cambiar la topografía de la superficie de la muestra y aumentar la porosidad de la superficie16, mejorando así la penetración del lubricante. McCarthy et al.17 utilizaron fuerzas impulsoras de Coulombic para lanzar fibras cortas desde una placa de electrodo sobre un sustrato cubierto de adhesivo, formando una densa serie de fibras perpendiculares al sustrato. La tecnología de flocado electrostático se utiliza actualmente en antiincrustantes marinos18, generadores de vapor impulsados ​​por energía solar19, chips de microfluidos para flujo autorecolector20 y materiales de absorción de impactos21.

En este artículo proponemos una superficie antifricción con excelentes propiedades humectantes. Primero se preparó una textura de malla en la superficie del acero de alta velocidad y luego se implantaron fibras de nailon en las ranuras de la textura como un lubricante sólido mediante la tecnología de flocado electrostático. Zeng et al.22 informaron que la aplicación de aceite vegetal en el mecanizado ha aumentado en los últimos años debido al énfasis en la fabricación sostenible. Entre ellos, el aceite de ricino tiene excelentes propiedades lubricantes debido a su mayor viscosidad. El COF y la tasa de desgaste de las superficies de flocado se compararon en diferentes condiciones de lubricación mediante un probador de desgaste alternativo. Luego se discutieron los cambios de COF bajo diferentes cargas. Finalmente, se evaluaron la humectabilidad y el mecanismo del aceite de ricino de alta viscosidad sobre la superficie del flocado. Estos estudios proporcionan una referencia para la optimización de la humectación y lubricación en la superficie de la herramienta.

El HSS se utiliza ampliamente en herramientas complejas debido a su excelente dureza térmica y facilidad de rectificado. La preparación de la superficie antifricción con sustrato HSS tiene importancia práctica para la optimización de la superficie de la herramienta. Por lo tanto, se selecciona un tamaño de 20 mm × 10 mm × 5 mm como sustrato para preparar la superficie de flocado. Los componentes detallados (fracción de masa) del HSS se enumeran en la Tabla 1.

El nailon (hexametileno adipamida, PA-66) se selecciona como lubricante sólido para mejorar las propiedades tribológicas de la superficie debido a su excelente resistencia al desgaste y a la corrosión, alta resistencia mecánica y propiedades de autolubricación. La Figura 1 muestra la fórmula de la estructura molecular del material de nailon. Y las fibras de nailon (de 10 μm de diámetro y 0,4 mm de longitud) son suministradas por Dongguan Fuhua Co., LTD.

Fórmula estructural de material de nailon.

En el proceso de corte del acero inoxidable 304 (304 SS), el material tiende a adherirse a la superficie de la herramienta debido al desgaste de la herramienta debido a su mala conductividad térmica. Dadas las propiedades difíciles de procesar del material, se utiliza como material de bolas de acero para pruebas de desgaste con HSS, lo que proporciona una valiosa referencia para cortar 304 SS. Y la Tabla 2 enumera los elementos principales del 304 SS.

La Figura 2 muestra el proceso de preparación de la superficie de flocado. La superficie flocada se trató previamente y se limpió con etanol anhidro para eliminar las manchas en la superficie de la muestra. Para garantizar la calidad de la superficie flocada, se adhirió una cinta translúcida a la superficie de la muestra para formar una máscara (Fig. 2a). Luego, se utilizó una máquina de marcado láser H20 (HAN'S LASER, Guangdong, China) para preparar la textura de la malla. La potencia de la máquina de marcado láser es de 12 W y su punto es de 50 μm. Un ancho de ranura (w) de 0,2 mm (Fig. 2b) tenía excelentes características antifricción23, y Gachot et al.24 obtuvieron el mejor efecto antifricción con coberturas de área entre 0,3 y 0,5, por lo que al establecer el paso (p) a 1 mm dio una cobertura de área de 0,36. La profundidad de la ranura se fijó en 0,4 mm después de varias pruebas combinadas con la eficiencia del procesamiento. Luego, la superficie texturizada se trató con papel de lija para eliminar el residuo endurecido que se había acumulado alrededor de los bordes de las ranuras y luego se lavó en un limpiador ultrasónico con etanol anhidro durante 15 minutos. Después del secado, se goteó 1 μL de adhesivo flocado (Anda Huatai New Material Co., LTD, China) en las ranuras a lo largo de la ranura de la superficie texturizada utilizando un microinyector (Fig. 2c). Y el adhesivo flocado es un líquido lechoso, el componente principal es acetato de polivinilo y la viscosidad es de 10.000 a 20.000 mPa·s a una temperatura de 25 °C. Luego, la muestra se colocó en un excitador de vibración (SA-JZ020, Wuxi SWO Technology Co., Ltd.) a una frecuencia de 2 kHz durante 1 min para lograr una distribución uniforme del adhesivo flocado. Como se muestra en la Fig. 2d, la muestra se fijó en el equipo de flocado electrostático (XT-F06, Jiangsu Xintu Machinery Co., Ltd.), y las fibras de nailon se polarizaron y se hicieron volar verticalmente hasta la muestra de potencial cero en la parte superior de la Caja de flocado bajo tensión electrostática de 120 kV. Las ranuras llenas de adhesivo pegarán fibras de nailon que subirán a su superficie, y este proceso dura un minuto. Luego, las fibras implantadas en la muestra se secaron en una estufa de vacío a 80 °C durante 4 h para curar el adhesivo. Posteriormente, se retiró la mascarilla de la superficie (Fig. 2e) y se realizó una limpieza ultrasónica con éter de petróleo durante 15 minutos para eliminar los residuos de la mascarilla. Finalmente, enjuague con etanol anhidro y agua desionizada por turno, y seque nuevamente antes de su uso (Fig. 2f).

Proceso de preparación de la superficie de flocado: (a) máscara de pasta, (b) procesamiento láser de la textura, (c) aplicación de adhesivo a la textura, (d) proceso de flocado electrostático, (e) eliminación de la máscara, (f) diagrama de la superficie de flocado.

Las excelentes propiedades tribológicas pueden reducir la fricción y el desgaste cuando se produce una fuerte fricción por deslizamiento entre dos superficies de contacto bajo presión positiva. Por lo tanto, se utilizó un probador de desgaste alternativo lineal (Rtec 8000) para investigar la fricción por deslizamiento de las superficies de la muestra. Y la prueba de desgaste se llevó a cabo en las condiciones ambientales (temperatura 25 °C, humedad relativa 40%). Para proporcionar una referencia para la optimización de la superficie de la herramienta, la rugosidad de la superficie de la muestra se estableció para que fuera la misma que la de la cara de inclinación de la herramienta (brocha), es decir, Ra = 0,5. Y la rugosidad se mide utilizando un perfilador de superficies Mitutoyo (tipo: SJ-210). Se utilizó una bola de acero inoxidable 304 con un diámetro de 6,35 mm para frotar contra la superficie de la muestra. Teniendo en cuenta los parámetros de prueba del acero inoxidable realizados por Yang et al.25, y combinados con los antecedentes de aplicación del corte a baja velocidad, la bola de acero inoxidable 304 aplicó una presión constante de 80 N a la muestra, oscilando en la dirección x en una frecuencia de 1 Hz (10 mm/s), la carrera fue de 5 mm y el tiempo de trabajo fue de 30 min.

Para investigar las propiedades tribológicas de las superficies flocadas propuestas en este artículo, se llevan a cabo pruebas comparativas y las disposiciones específicas se dan en la Tabla 3. Las propiedades tribológicas de la superficie lisa, la superficie texturizada y la superficie flocada se comparan en la prueba de fricción seca y en ricino. prueba de lubricación con aceite, respectivamente. T1 ~ T3 son pruebas de fricción seca, en las que la prueba de fricción seca de una superficie lisa se marca como SD, la prueba de fricción seca de una superficie texturizada se marca como TD y la prueba de fricción seca de una superficie flocada se marca como FD. El aceite de ricino se selecciona como lubricante para la prueba de fricción (T4 ~ T6) basándose en la consideración de aceite vegetal respetuoso con el medio ambiente. La superficie lisa, la superficie texturizada y la superficie flocada están marcadas como SC, TC y FC, respectivamente. Para cumplir con los requisitos de fabricación sostenible, merecen destacarse las excelentes propiedades tribológicas con una lubricación mínima. Por lo tanto, se colocan previamente 3 μL de aceite de ricino en el área de fricción, luego se carga y se prueba.

Para evaluar exhaustivamente las propiedades tribológicas de las superficies para explicar el comportamiento de fricción de las dos superficies de contacto, se mide la tasa de desgaste de las muestras y las bolas de acero inoxidable 304. Como datos de evaluación se utiliza el valor medio de diez pruebas repetibles. Además, la desviación estándar de cada conjunto de datos se utiliza como barra de error para evaluar la repetibilidad de la prueba. Y en las mediciones de desgaste, lo más común es informar una tasa de desgaste (σ) que sigue la ecuación de desgaste de Archard (ecuación (1)):

donde, ∇V es el volumen de desgaste, F es la carga aplicada, S es la distancia de deslizamiento.

La Figura 3 muestra el sistema de prueba y el método para investigar la humectabilidad del aceite de ricino en diferentes superficies. Como se muestra en la Fig. 3a, se elige un instrumento de medición del ángulo de contacto (JC2000D1, Shanghai Zhongchen Digital Technology Equipment Co., LTD, China) para fotografiar el proceso de desorción de las gotas de aceite desde la punta del microinyector hasta la superficie de la muestra. Antes de medir el ángulo de contacto, todas las muestras se lavaron en un limpiador ultrasónico con alcohol etílico durante 5 minutos. Después de enjuagarlos con agua desionizada, se secaron en una estufa de secado al vacío (60 °C) durante 1 h y luego se midió el ángulo de contacto. La Figura 3b muestra los pasos experimentales específicos. Primero, se obtuvo de antemano una gota de 3 μL utilizando un microinyector. Luego, lentamente, movió la gota hacia abajo y cuando la punta de la aguja está a 1,5 mm de la superficie de la muestra, la parte inferior de la gota apenas toca la superficie de la muestra. En este punto, los cambios morfológicos de la gota de aceite transferida completamente desde la punta de la aguja a la superficie de la muestra se registraron a una velocidad de 10 fotogramas por segundo.

Sistema de prueba para la humectabilidad de la superficie: (a) equipo de prueba de humectabilidad, (b) método de prueba.

La morfología de la superficie de flocado se caracteriza en la Fig. 4, y la Fig. 4a muestra la superficie de flocado fotografiada con una cámara digital de alta velocidad (Tipo: KEYENCE VW-9000) con un aumento de 100 ×. Para reflejar en detalle el estado de la fibra de nailon implantada en la ranura, se tomó la sección transversal de la muestra a 200 × según la dirección de la línea tangente en la Fig. 4. Como se muestra en la Fig. 4b, el tamaño de las fibras que sobresalen desde la superficie es de aproximadamente 290 μm. La longitud de las fibras de nailon seleccionadas fue de 400 µm, lo que significa que la longitud de implantación en la ranura es de aproximadamente 110 µm. La Figura 4c muestra una vista parcial ampliada de la intersección mallada con un aumento de 300 ×. Además, la caracterización morfológica 3D de la superficie de flocado (Fig. 4d) muestra que las fibras de nailon se distribuyen en la superficie del HSS en su conjunto, formando una malla conectada y abultada.

Caracterización de la superficie de flocado: (a) superficie de flocado a 100 ×, (b) sección transversal a 200 ×, (c) vista ampliada parcial a 300 ×, (d) morfología 3D de la superficie de flocado a 100 ×.

La Tabla 4 enumera el tamaño real de la textura y el espesor del revestimiento de nailon después del secado. El valor real se obtiene mediante una cámara digital de alta velocidad para medir las dimensiones de cinco posiciones diferentes en la misma muestra y luego medir las tres muestras por separado.

La Figura 5 muestra las curvas de COF para tres superficies bajo diferentes condiciones de lubricación. La prueba de desgaste se lleva a cabo diez veces bajo cada condición para garantizar la repetibilidad y confiabilidad de los datos, y uno de los diez grupos de pruebas se selecciona aleatoriamente para su caracterización. Los valores de COF marcados en las figuras son el COF promedio de los diez grupos de pruebas. Además, las curvas de COF se dividen en dos etapas con líneas discontinuas amarillas, a saber, la etapa inicial t0 y la etapa estable t1. Se utiliza para discutir las propiedades tribológicas de cada superficie en diferentes etapas. Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

COF de tres superficies bajo diferentes condiciones de lubricación.

En la condición de fricción seca (Fig. 5a-c), TD tiene el COF promedio más grande de 0,739, que es un 3,1% más alto que el de SD. Sin embargo, el COF de SD es significativamente menor que el de TD durante la etapa inicial (to) y mayor que el de TD durante la etapa estable (t1). El COF de FD se reduce a 0,333 mediante la implantación de fibras de nailon en la ranura, que fue un 54,9% menor que TD y un 53,6% menor que SD. Además, FD disminuye primero y luego aumenta lentamente en la etapa t0, y el rango de variación es pequeño. Esto indica que la adición de fibras de nailon reduce el COF general y también alivia la gran fuerza de fricción causada por el corte de las dos superficies de fricción durante la etapa inicial del material.

En las condiciones de lubricación del aceite de ricino (Fig. 5d – f), la tendencia general del COF es la misma que la de la fricción seca, con el TC más grande (0,225), seguido de SC (0,210). FC (0,175) es el más pequeño, 22,2% menor que TC y 16,7% menor que SC. La diferencia es que la curva de COF de la superficie texturizada en t1 es mayor que la de la superficie lisa. Porque la adición de aceite de ricino suspende algunos de los desechos generados por la fricción en la región de fricción, debilitando la capacidad de la textura para almacenar desechos. Combinado con el fenómeno de corte del material por los bordes afilados de la textura, el COF de la superficie texturizada es mayor que el de la superficie lisa. Además, la presencia de aceite de ricino provocó que la fricción se moviera más rápidamente de a t1; este fenómeno es más obvio en la superficie flocada. El efecto sinérgico de la fibra de nailon y el aceite de ricino mejora la lubricación, lo que potencia las propiedades tribológicas de la superficie.

La Figura 6 muestra las micrografías de la cicatriz de desgaste en la muestra y el 304 SS después de la prueba. Las bolas de acero inoxidable 304 y la muestra se lavaron con agua desionizada y luego se lavaron en una máquina de limpieza ultrasónica que contenía etanol anhidro durante 15 minutos para eliminar los residuos y el aceite de la superficie. Luego se observan las cicatrices de desgaste de las bolas de acero utilizando una cámara digital de alta velocidad con un aumento de 150 ×, mientras que las cicatrices de desgaste en la superficie de la muestra se observan con un aumento de 200 ×. En condiciones de fricción seca, las superficies de las bolas SS son rugosas y tienen muchos defectos, entre los cuales la calidad de la superficie de FD es la mejor y las líneas de desgaste son claras. TD ocupa el segundo lugar, pero las líneas de las cicatrices de desgaste son irreconocibles. SD tiene la superficie peor desgastada y los defectos más graves.

Use cicatriz de muestra y bola de SST.

Las cicatrices de desgaste en las superficies de las muestras muestran que el SD tiene un gran número de surcos. Estos surcos son causados ​​principalmente por el desgaste abrasivo, que proviene de los desechos generados en el proceso de fricción entre las dos superficies de contacto. TD también tiene surcos, pero en menor medida, donde la presencia de textura almacena escombros y reduce el daño superficial. FD no tiene surcos obvios, pero hay fibras de nailon en el borde de las ranuras que no se pueden eliminar mediante limpieza ultrasónica. Indica que las fibras de nailon se comprimieron y se adhirieron a la superficie de la muestra durante la fricción repetida.

La calidad de la superficie de la bola de acero inoxidable mejora obviamente en condiciones de lubricación con aceite de ricino. Hay algunos rayones en la superficie del SC, pero no hay daños significativos en grandes superficies en comparación con la fricción seca. La superficie de TC está limpia y sin rayones. FC tiene una pequeña cantidad de rayones, lo que indica que FC es un poco menos capaz de almacenar escombros que TC. Al observar la superficie de la muestra, las cicatrices de desgaste en la superficie de la muestra se mejoran significativamente mediante la lubricación con aceite de ricino. En la superficie de TC y FC, no hay una presencia obvia de rayones ni cicatrices de desgaste, pero existe una gran cantidad de desechos en las ranuras de la textura.

La Figura 7 muestra respectivamente la tasa de desgaste de la muestra y la bola de acero inoxidable 304 después de la prueba, que se calcula de acuerdo con la ecuación. (1). El volumen de desgaste de la muestra se calcula utilizando la pérdida de masa y la densidad del material. La pérdida de masa se obtiene mediante una balanza electrónica (ZG-TP203) con una precisión de 1 mg. El volumen de desgaste del 304 SS se calcula por el diámetro de la cicatriz de desgaste. Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Tasa de desgaste: (a) tasa de desgaste en la muestra, (b) tasa de desgaste en 304 SS.

Se puede ver en la Fig. 7a, b que la tasa de desgaste en la superficie de la muestra y la bola de acero inoxidable 304 cambia en la misma tendencia. La tasa de desgaste de las dos superficies de contacto es mayor con la textura, pero la tasa de desgaste de ambas disminuye después de la implantación de la fibra de nailon. Y la tasa de desgaste de la superficie flocada se reduce considerablemente con la aplicación de aceite de ricino. En comparación con las superficies lisas, las superficies flocadas reducen la tasa de desgaste en un 12,6% con fricción seca y un 63,8% con aceite de ricino. Los resultados anteriores demuestran que la fibra de nailon mejora la resistencia al desgaste de la superficie de contacto bajo lubricación con aceite de ricino. Además, la baja tasa de desgaste de la superficie HSS es de gran importancia para la vida útil de la herramienta.

La Figura 8 muestra el COF y el COF promedio de la superficie de flocado bajo diferentes cargas. Experimentos anteriores han demostrado que la superficie flocada tiene excelentes propiedades antifricción. Para investigar más a fondo el rendimiento de la superficie de flocado bajo diferentes cargas, se realiza una prueba de desgaste de 3 h lubricada con aceite de ricino. Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

COF de la superficie de flocado bajo diferentes cargas.

En los primeros 30 minutos, los COF bajo diversas cargas son aproximados. Después de 30 min, el COF de 20 N y 40 N aumenta rápidamente, mientras que el COF de 60 N y 80 N no aumentó hasta 45 min después. En todas las cargas, cuanto mayor sea la carga, menor será el COF. Aproximadamente a los 90 minutos, el COF mostrará un crecimiento de salto; con el aumento de la carga, el tiempo de crecimiento de salto se retrasará correspondientemente, es decir, cuanto mayor sea el tiempo para mantener un COF pequeño. Combinado con el COF promedio indicado en el gráfico de barras, el COF máximo es 0,185 a 20 N y el COF mínimo es 0,176 a 80 N. El COF mínimo se reduce en un 3,8 % en comparación con el COF máximo. Se concluye que la superficie de flocado tiene la mejor propiedad antifricción cuando se aplica una carga de 80 N, pero la propiedad antifricción no es obvia con una pequeña reducción de la carga.

Se encuentra que la textura preparada en este experimento aumentó el COF y el desgaste en la superficie mediante pruebas de comparación con la superficie lisa y la superficie texturizada. La Figura 9 muestra las micrografías de la superficie texturizada después de las pruebas de desgaste, las cuales son tomadas por un microscopio electrónico de barrido (SEM). Con un aumento de 300 ×, aparece una gran cantidad de virutas en las ranuras y se distribuyen principalmente en las ranuras longitudinales perpendiculares a la dirección de deslizamiento (Fig. 9a). Estas astillas son causadas por el corte de la bola de acero inoxidable 304 por los bordes longitudinales de la textura. La Figura 9b muestra las astillas generadas por los severos fenómenos de corte en el borde de la textura (1000 ×). Estas grandes virutas iban acompañadas de la eliminación del exceso de materiales, lo que aumentaba la fuerza de fricción y, finalmente, el COF.

Fenómeno de corte en superficie texturizada, (a) SEM a 300 ×, (b) SEM a 1000 ×.

Como se muestra en la Fig. 10a, una gran área de virutas perforará la superficie de la muestra con la extrusión relativa de las dos superficies de contacto o causará daños en la superficie con el desprendimiento de las virutas. Al mismo tiempo, un fenómeno de corte grave provoca una eliminación excesiva de material en la bola de acero y produce una cicatriz de desgaste de gran diámetro. Sin embargo, la existencia de la textura almacena las virutas de la bola de acero inoxidable 304 y los restos del material de la muestra durante el proceso de fricción, evitando que dañen las dos superficies de contacto y reduciendo los rayones, mejorando la calidad de las dos superficies de fricción.

Mecanismo de antifricción en superficies: (a) superficie texturizada; (b) superficie de flocado; (c) superficie flocada bajo la lubricación con aceite de ricino.

Como se muestra en la Fig. 10b, cuando las fibras de nailon se implantan en la textura, las fibras de nailon ubicadas cerca del borde de la ranura desempeñarán un papel amortiguador en el corte del material causado por la fricción relativa entre las dos superficies, lo que ralentiza el fenómeno de corte. en el borde texturizado. La resistencia al corte del material de nailon (25,2–27,8 MPa) es mucho menor que 304 SS (187,2–249,6 MPa), por lo que la fibra de nailon en la fractura a lo largo de la dirección de deslizamiento para superar la fuerza es mucho menor que 304 SS, reduciendo así la fuerza de fricción. Además, las fibras rotas son arrastradas por las superficies de contacto y apretadas sobre la superficie microscópica irregular de la muestra para formar una película lubricante sólida26, que desempeña un papel en la reparación de la superficie y la hace plana y lisa. La superficie plana reduce el corte entre las protuberancias en el área de contacto con la bola de acero inoxidable 304 y reduce el tamaño de las virutas y los desechos, reduciendo así la fricción. Estos pequeños fragmentos se comprimen en una película lubricante hecha de fibras de nailon, evitando daños en la superficie causados ​​por la interacción directa con la superficie del metal. Y la fibra de nailon tiene una alta capacidad de recuperación elástica27, lo que la hace actuar como un cepillo en el proceso de fricción, elimina oportunamente la adsorción de los pequeños residuos en la superficie de la bola y evita su entrada en el área de fricción causada por el desgaste abrasivo. En conclusión, las fibras de nailon implantadas en la ranura pueden mejorar significativamente las propiedades tribológicas de la superficie, no solo reduciendo el coeficiente de fricción, sino también mejorando efectivamente el daño superficial de la muestra y disminuyendo el diámetro de la cicatriz de desgaste en el 304 SS. pelota.

Bajo la lubricación con aceite de ricino (Fig. 10c), la película de aceite en la superficie mejora el estado de fricción y el deslizamiento relativo de las dos superficies de contacto elimina los residuos desgastados y mejora la calidad de la superficie. Durante el proceso de desgaste de la superficie flocada, el espacio entre las dos superficies aumenta debido a la existencia de una película lubricante sólida formada por la extrusión de fibra de nailon y una película de aceite líquido formada por aceite de ricino, de modo que el volumen de contacto de los picos microscópicos convexos en las dos superficies se reduce y el volumen de material cortante en los picos convexos también se reduce, lo que finalmente conduce a la reducción de COF. Además, antes de que comience la fricción, el aceite de ricino primero saturará la superficie y formará una película de aceite. Cuando las fibras de nailon rotas en el proceso de fricción se aprietan sobre la superficie para formar una película lubricante sólida, habrá una capa de película de aceite entre la película lubricante sólida y el sustrato metálico, lo que reduce la fuerza de adhesión del material de nailon y el sustrato. A medida que los numerosos desechos se extruyen hacia la película de lubricación sólida, la acumulación de estos desechos aumenta la resistencia entre el material de la bola y la superficie de la muestra. A medida que aumenta la resistencia, la superficie de la bola de acero inoxidable 304 aleja el material de nailon del sustrato. Luego se vuelve a formar una nueva película de lubricante sólido durante la fricción, y esta formación y desprendimiento repetidos de la película de lubricante elimina grandes cantidades de residuos, lo que reduce aún más el desgaste de la superficie. Esta es también la razón por la cual las fibras de nailon se adhieren a la superficie después de la fricción seca en la Fig. 6, mientras que ninguna fibra de nailon se adhiere a la superficie bajo lubricación con aceite. Kalin et al.28 investigaron el comportamiento tribológico de lubricantes sólidos y aceites lubricantes. Se confirmó que el lubricante sólido se compactó y deformó en la región de fricción para formar una película resistente al desgaste y de bajo cizallamiento, lo que también provocó que la película límite se espesara. En una palabra, la existencia tanto de una película lubricante sólida como de una película de aceite en la región de fricción aumenta el espacio entre las dos superficies de contacto, lo que hace que la película lubricante sea más gruesa y esté más completamente lubricada. Además, pueden desprenderse de la película lubricante sólida que transporta una gran cantidad de residuos bajo la acción de una pequeña fuerza de corte, reduciendo así la aparición de desgaste abrasivo, de modo que se reduce el COF y se reduce el diámetro de la cicatriz de desgaste de la bola de acero inoxidable 304. disminuir.

De acuerdo con la ley binomial de la fricción29, la fricción por deslizamiento es un proceso para superar la adhesión y la atracción molecular de picos convexos en la superficie, y la fricción es la suma de la acción mecánica y la resistencia a la acción molecular, y la fórmula COF completa se da en la fórmula ( 2).

donde, α y β son los coeficientes determinados por las propiedades físicas y mecánicas del material de la superficie respectivamente, A es el área de contacto real y F es la carga aplicada. Para mayor discusión, se introduce la fórmula de la carga aplicada F:

donde P es la carga de fase normal por unidad de área. Combinado con las fórmulas (2) y (3), se obtiene la expresión del COF integral:

Según la fórmula (4), cuando P aumenta, el COF disminuye. Esto es consistente con los resultados experimentales de este artículo, es decir, el COF disminuye al aumentar la presión bajo diferentes cargas aplicadas. Además, las fibras de nailon bajo carga pequeña, el grado de deformación plástica es pequeño, las fibras de nailon son arrastradas a lo largo de la región de fricción por dos superficies de contacto. Srinath et al.30 verificaron que cuando el nailon se desliza sobre la superficie del metal, formará una película lubricante y desempeñará un papel en el blindaje de la protuberancia del metal duro en la región de fricción. Con el aumento continuo de la carga, la deformación plástica de la fibra de nailon aumenta hasta que se comprime en el sustrato para formar una película lubricante, lo que hace que la superficie de la muestra sea más lisa y plana, y la superficie plana reduce el COF.

La Figura 11 muestra la humectabilidad de la gota de aceite en tres superficies, usando 3 μL de gotas de aceite de ricino en la muestra para observar el cambio de contorno en 5 s. Los contornos de las gotas en diferentes momentos se dibujan ajustando curvas con diferentes colores. Merece atención la forma en que el aceite lubricante existe en el par de fricción como un medio importante para reducir la fricción. Por lo tanto, se estudia la humectabilidad del aceite vegetal verde (aceite de ricino) de alta viscosidad sobre la superficie flocada, y se caracteriza la influencia de diferentes superficies sobre la humectabilidad observando la infiltración de gotas de aceite en la superficie. Cada grupo de pruebas se lleva a cabo 5 veces y se selecciona aleatoriamente un grupo de pruebas para su caracterización.

Humectabilidad de la gota en diferentes superficies: (a) superficie lisa; (b) superficie texturizada; (c) superficie de flocado.

Cuando las gotas de aceite estuvieron en contacto con una superficie lisa (Fig. 11a), el borde del fondo se extendió rápidamente a lo largo del eje x. A los 0,5 s, el borde del fondo se extendió hasta aproximadamente 1,5 mm, y después de 1,5 s, la velocidad de dispersión disminuyó. Para el quinto s, el borde de la parte inferior de la gota de aceite se ha extendido a una posición de 3 mm, mientras que la parte superior cae a una posición de 1,5 mm y permanece unida a la punta del microinyector. La velocidad de dispersión de las gotas de aceite en la superficie texturizada (Fig. 11b) durante los primeros 0,5 s fue similar a la de la superficie lisa, y el borde del fondo se extendió a 1,5 mm. Durante el período de 1 s a 1,5 s, la dispersión de las gotas de aceite en la dirección del eje x se detiene brevemente, mientras que la dirección del eje y todavía cae, porque las gotas de aceite entran en la ranura y fluyen en la ranura. Después de 1,5 s, el borde de la gota de aceite comienza a moverse nuevamente a lo largo del eje x, pero a un ritmo más lento. Hasta el día 4, la gota de aceite se separó completamente de la punta del microinyector, pero el contorno cambió poco después de que la gota de aceite se separó. Según la investigación de Wang et al.31, sin considerar la influencia de la temperatura, el flujo de líquido en la ranura se ve afectado principalmente por la fuerza capilar Fγ, la resistencia viscosa del líquido Fη y la tensión adicional Fs en la superficie de la gota, como se muestra en la fórmula (5). .

A medida que la altura de la gota disminuye, la tensión adicional Fs en la superficie disminuye y se cumple la fórmula (6), el líquido deja de fluir sobre la superficie.

Cuando el aceite cae sobre la superficie flocada durante 0,5 s, el borde inferior se extiende lentamente hasta 1 mm (Fig. 11c). Esto se debe a que cuando la gota está justo en contacto con la superficie, la línea de contacto queda fijada en las fibras, lo que dificulta la propagación de la gota sobre la superficie. Esta conclusión está en línea con la investigación de Matthew et al.32 de que la histéresis del ángulo de contacto se debe a que las líneas de contacto se fijan en irregularidades microscópicas de la superficie. Luego, el contorno de la gota disminuye rápidamente en la dirección del eje y, pero ya no se extiende hacia afuera cuando se extiende 2 mm a lo largo de la dirección del eje x. A los 2 s, la gota se separó completamente de la punta del microinyector y a los 3,5 s se infiltró completamente en la superficie del flocado. Según investigaciones anteriores33, esto se atribuye al hecho de que el espacio entre las fibras en el surco proporciona una fuerza capilar adicional Fγ, que permite que el líquido se infiltre rápidamente en el espacio entre las fibras en el surco. Esto facilita la prelubricación y el almacenamiento del lubricante en la superficie y proporciona continuamente suficiente lubricante para el área de contacto durante el proceso de fricción para mejorar las propiedades tribológicas de la superficie.

Este artículo utilizó tecnología de flocado electrostático para implantar fibras de nailon en ranuras de la superficie de textura para resolver el problema de la lubricación insuficiente en la región de fricción. Las propiedades tribológicas de la superficie lisa, la superficie texturizada y la superficie flocada se estudiaron en condiciones de fricción seca y lubricación con aceite. Además, también se estudió la humectabilidad de las tres superficies. Los detalles son los siguientes:

La textura aumenta el COF y el desgaste por el fenómeno cortante de sus bordes, mientras que la implantación de fibras de nailon en las ranuras proporciona una amortiguación eficaz y disminuye el corte del material. Esto reduce el COF en un 53,6% en condiciones de fricción seca y un 16,7% en condiciones lubricadas con aceite.

Las fibras rotas se extruyen en la superficie de contacto para formar una película lubricante sólida. La existencia de películas lubricantes sólidas llena el área microscópica irregular de la superficie para que el corte entre los picos convexos sea menor, para reducir la fricción y evitar daños a la superficie por desechos grandes. Las superficies flocadas reducen la tasa de desgaste en un 12,6% con fricción seca y un 63,8% con aceite de ricino en comparación con las superficies lisas.

Es la combinación de la película lubricante sólida formada por la fibra de nailon y el aceite de ricino la que aumenta el espacio entre las superficies de contacto y hace que la lubricación sea más adecuada. Además, debido a la existencia de una capa de película de aceite entre la película lubricante sólida y el sustrato, la película lubricante sólida que almacena una gran cantidad de residuos es más fácil de desprender de la superficie y eliminar los residuos.

La superficie flocada tiene una fuerte capacidad de adsorción de aceite de ricino de alta viscosidad. Debido a una gran cantidad de poros entre las fibras, las fuerzas capilares en las ranuras aumentan, de modo que el líquido penetrará rápidamente y se almacenará en la ranura, proporcionando un lubricante continuo para la región de fricción durante el proceso de fricción.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Esta investigación fue apoyada por la Fundación Científica para Jóvenes Académicos Distinguidos de Zhejiang, China (Subvención No. LR20E050002), el Proyecto de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. U21A20134) y el Programa Clave de Investigación y Desarrollo de la Provincia de Zhejiang (Subvención No. .2021C01132).

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Hangzhou Dianzi, Hangzhou, 310018, China

Kai Feng, Jing Ni, Zixuan Wang y Zhen Meng

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KF: Conceptualización, Metodología, Software, Análisis formal, Validación, Redacción de un borrador original, Visualización. JN: Conceptualización, Metodología, Supervisión. ZW: Revisión y edición de redacción, Software. ZM: Prueba, Recogida de datos.

Correspondencia con Jing Ni.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Feng, K., Ni, J., Wang, Z. et al. Propiedades tribológicas de la superficie del acero rápido con textura y fibras verticales. Representante científico 13, 13180 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39721-2

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Recibido: 10 de mayo de 2023

Aceptado: 29 de julio de 2023

Publicado: 14 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39721-2

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