Los guerreros en el campo de batalla a menudo confían en las máquinas, vehículos y otras tecnologías con piezas giratorias para completar su misión. Los investigadores del ejército han ideado un nuevo método de prueba para un factor importante en la falla y avería del equipo con el fin de garantizar que esas herramientas cumplan con el estándar de calidad adecuado.

Cuando las piezas mecánicas se deslizan unas contra otras durante largos períodos de tiempo, el pulido constante puede desgastar las superficies metálicas hasta que las piezas ya no sean funcionales. El estudio de la fricción, desgaste y lubricación cuando dos o más superficies interactúan en movimiento relativo se conoce como tribología, y su importancia en la ciencia y la ingeniería de los materiales ha llevado a los investigadores a encontrar nuevas formas de examinar el contacto mecánico seco.

Investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. Desarrollaron recientemente un nuevo enfoque para analizar la respuesta tribológica entre el acero y el nitruro de silicio que tiene lugar cuando los dos metales interactúan. en lugar de después de que las muestras se hayan enfriado.

Este último método de estudio del desgaste puede permitir a los investigadores observar reacciones químicas fugaces que ocurren en el sitio de contacto.

"El sistema mecánico es muy dinámico durante el funcionamiento, "dijo el Dr. Stephen Berkebile, Físico investigador del ejército. "Si no se captura durante la operación y, en lugar de, medido cuando no se mueve rápidamente, las reacciones químicas transitorias y los cambios físicos no serían capturados ya que el sistema puede cambiar después de enfriarse por el calentamiento por fricción ".

Berkebile actuó como uno de los investigadores del Ejército que trabaja junto con la Universidad del Norte de Texas para estudiar la interacción deslizante entre el acero y el nitruro de silicio. Más específicamente, el equipo estaba tratando de investigar por qué el aumento de la velocidad de deslizamiento entre el acero y el nitruro de silicio disminuía su tasa de fricción y desgaste al hacer contacto.

Según los investigadores, la interacción entre el acero y el nitruro de silicio es una que comúnmente tiene lugar durante el proceso de mecanizado en seco de ciertas herramientas de corte y en situaciones de emergencia con rodamientos de alta velocidad cuando pierden su fuente de lubricación, como los de las turbinas de los motores a reacción. Comprender la cinética detrás del contacto deslizante de alta velocidad entre estos dos metales sería vital para desarrollar vehículos y equipos mejores y más seguros para los soldados.

"Los cojinetes híbridos con el contacto de acero / nitruro de silicio se utilizan cada vez más en turbomaquinaria dentro de los sistemas de propulsión de helicópteros, ", Dijo Berkebile." Estos cojinetes híbridos están encontrando cada vez más uso en sistemas de propulsión de helicópteros y helicópteros donde se operan a altas velocidades ".

Los investigadores realizaron el experimento utilizando un tribómetro Ball on Disk que deslizaba una bola rodante de nitruro de silicio contra un disco giratorio de acero que se calentaba a 120 grados Celsius con una placa caliente debajo.

Un microscopio estereo-óptico con un dispositivo de carga acoplada a color, o CCD, La cámara y una cámara de infrarrojos obtuvieron datos de imágenes térmicas a medida que la velocidad de rotación del disco se aceleró de 1 m / sa 16 m / s. Después, los investigadores realizaron un análisis de las huellas de desgaste utilizando un detector de electrones de retrodispersión que mapeó la composición elemental del residuo de película sobrante.

"Al combinar dos métodos ópticos con datos de fricción en tiempo real, pudimos entender la transición química en el mecanismo de desgaste, ", Dijo Berkebile." Pudimos correlacionar la fricción, temperatura y estado químico del contacto mecánico durante la operación activa del experimento mientras ocurría la reacción química ".

Según los investigadores, este experimento representó el primer intento conocido de analizar la respuesta tribológica del acero y el nitruro de silicio en medio de una prueba de alta velocidad de deslizamiento.

Es más, los datos resultantes de esta audaz empresa proporcionaron nueva información sobre la naturaleza de los efectos tribológicos que tuvieron lugar.

El equipo descubrió que el calentamiento por fricción causado a una velocidad de deslizamiento umbral de alrededor de 4.5 m / s indujo una reacción química que dejó una película delgada lubricante en la zona de contacto altamente cargada.

Esta película delgada y resbaladiza fue lo que permitió que la interacción mecánica entre el acero y el nitruro de silicio demostrara una menor fricción y desgaste a medida que aumentaba la velocidad de deslizamiento. Usando el nuevo enfoque, el equipo logró determinar el momento exacto en que ocurrió la reacción química a partir de las observaciones del cambio de color de las huellas de desgaste durante el experimento.

Adicionalmente, los investigadores determinaron que este fenómeno está completamente activo cuando la velocidad de deslizamiento se eleva por encima de los 9 m / s en condiciones similares a las de engranajes y rodamientos.

Basado en el análisis de las huellas de desgaste, los investigadores verificaron que una serie de reacciones de oxidación deben haber tenido lugar como resultado de la interacción entre el hierro, oxígeno y silicio a altas temperaturas por calentamiento por fricción.

"Descubrimos que se produce una transición suave entre una reacción química a otra durante la transición entre el estado de baja fricción y desgaste y el estado de alta fricción y desgaste, ", Dijo Berkebile." La reacción química también requiere que se mantenga el calentamiento por fricción, y así puede 'extinguirse' después de unos segundos si se alcanza el estado de baja fricción y se reduce el calentamiento por fricción a velocidades intermedias ".

Según Berkebile, Este nuevo enfoque in situ para examinar los contactos mecánicos deslizantes en seco tiene el potencial de mejorar significativamente los esfuerzos del Ejército para desarrollar maquinaria que pueda resistir mejor las altas temperaturas. cargas y velocidades.

"Los helicópteros del ejército tienen la obligación de operar durante 30 minutos después de que se haya perdido la lubricación del sistema de propulsión, ", Dijo Berkebile." De este estudio, hemos aprendido que para los sistemas de propulsión que contienen componentes híbridos, como cojinetes de nitruro de silicio / acero, los materiales pueden durar más si se deslizan a una velocidad más alta que a una velocidad más baja, lo cual es realmente contrario a la intuición ".