Test di abrasione su sabbia asciutta vs sabbia bagnata: norme ASTM

Affidarsi ai valori nominali di durezza riportati nei manuali per prevedere la resistenza all'usura è una scommessa costosa che rischia di causare guasti prematuri alle apparecchiature. 

Un accurato test di abrasione su sabbia asciutta e su sabbia bagnata fornisce ai team di ingegneri dati standardizzati sulla perdita di volume, utili per qualificare leghe e rivestimenti prima dell'installazione in loco. I test di laboratorio standardizzati eliminano le incertezze derivanti dai cataloghi, salvaguardando i tempi di attività e la redditività aziendale.

Punti chiave

• Contatto con l'ambiente: Le procedure con sabbia asciutta testano materiali metallici e non metallici, inclusi rivestimenti e superfici di riporto, a contatto con graniglia di quarzo non lubrificata e a flusso libero, mentre le configurazioni con sabbia umida introducono una sospensione di sabbia e acqua che modifica l'attrito interfacciale.
• Protocolli standard: La norma ASTM G65 stabilisce la procedura per l'abrasione a secco delle ruote in gomma, mentre la norma ASTM G105 definisce i requisiti per il contatto con fanghi umidi.
• Base di valutazione: Entrambi gli standard valutano la resistenza all'usura misurando la perdita di massa del campione e convertendola in perdita di volume (mm³) in base alla densità del materiale, garantendo confronti equi tra materiali di diversa densità.
• Influenze dei fluidi: I fluidi possono accelerare il degrado attraverso interazioni di usura e corrosione, oppure ridurre la perdita di massa creando una pellicola idrodinamica protettiva.
• Configurazione del laboratorio: Le strutture possono selezionare banchi prova dedicati a scopo singolo o installare sistemi multiprotocollo come il ToronTribo™ SRW per risparmiare spazio sul pavimento.

Meccanismi di usura e metodologia

Le ricerche pubblicate dimostrano che la maggiore perdita di materiale causata dal contatto con la sospensione rispetto alla sabbia asciutta dipende dalla metallurgia del substrato, dalla meccanica del contatto e dalle interazioni chimiche. Dal nostro punto di vista di produttori di apparecchiature, considerare i test con sabbia asciutta e con sabbia bagnata come intercambiabili significa valutare erroneamente il modo in cui le interfacce di contatto si degradano, poiché i fluidi modificano gli stati di attrito e i percorsi di degradazione.

Micromeccanismi di contatto

Nella zona di contatto tra la controfaccia rotante e il provino, diverse azioni meccaniche determinano il danneggiamento della superficie:

• L'usura metallica è dominata da micro-tagli e scanalature che si verificano quando le particelle abrasive si incastrano nella superficie di contatto e creano solchi profondi sotto carico normale.
• Il movimento delle particelle passa dal rotolamento allo scivolamento all'aumentare del carico normale applicato e della durezza del substrato, modificando le tracce di usura risultanti.
• La frantumazione delle particelle abrasive avviene in presenza di elevate sollecitazioni di contatto, modificando la geometria dei grani e alterando i tassi di perdita di massa in corso.
• La portanza idrodinamica del fluido e la concentrazione della sospensione determinano la reale profondità di penetrazione dei grani abrasivi in ​​funzione dei carichi normali applicati.
• Le fasi dure protettive, come i grani di carburo di tungsteno o i precipitati di TiC, agiscono come barriere fisiche contro il taglio abrasivo sia in condizioni di lavorazione a secco che a umido.

Interazioni usura-corrosione vs lubrificazione a pasta

Nelle leghe metalliche, gli ambienti acquosi spesso accelerano la rimozione del materiale perché la raschiatura meccanica rimuove gli strati protettivi di ossido, consentendo un attacco elettrochimico continuo. Valutazioni di laboratorio documentate su condotte hanno mostrato perdite per usura dal 20% al 70% maggiori nella sabbia umida rispetto alla sabbia asciutta. 

Analogamente, i componenti delle punte da trapano in carburo di tungsteno hanno perso una quantità di volume significativamente maggiore a contatto con la sabbia umida a causa dell'adesione interfacciale e dell'attacco elettrochimico accelerato, un modello di degradazione accelerata osservato anche in pezzi di ceramica porosa non metallica sottoposti a usura per rotolamento.

Al contrario, l'acqua può fungere da lubrificante interfacciale in determinate combinazioni, riducendo il taglio abrasivo a tre corpi grazie all'introduzione di una separazione del film idrodinamico che favorisce lo scorrimento delle particelle rispetto al micro-taglio aggressivo. Nel confronto tra acciaio dolce e graniglia arrotondata, i test in ambiente umido hanno prodotto tassi di usura inferiori perché i film fluidi idrodinamici hanno impedito l'abrasione diretta. 

Analogamente, le miscele di sabbia liquefatta inducono i grani abrasivi a scivolare anziché a penetrare nelle arenarie minerali, determinando maggiori perdite di volume a secco rispetto alla pietra imbevuta d'acqua, mentre i campioni di gomma elastomerica perdono più massa nelle prove a secco perché l'acqua lubrifica la zona di contatto durante le prove in ambiente umido. Tenere conto di questa influenza variabile del fluido è essenziale nella definizione delle specifiche dei materiali.

Contesto industriale nordamericano

A nostro avviso, le differenze meccaniche tra l'usura da taglio a secco e quella da fango umido riflettono le condizioni operative riscontrate nell'industria pesante nordamericana:

• Nelle operazioni di movimentazione di minerali secchi negli Stati Uniti occidentali, i frantumatori primari del minerale, le tramogge di trasferimento e i rivestimenti dei camion da trasporto sono soggetti a graffi da contatto a tre corpi senza lubrificazione, in cui le particelle minerali incidono le superfici metalliche senza essere attaccate da agenti chimici.
• Al contrario, le condotte di idrotrasporto negli impianti di lavorazione delle sabbie bituminose dell'Alberta e le linee di dragaggio lungo la costa del Golfo degli Stati Uniti espongono i componenti a solidi abrasivi sospesi in un liquido. In questi ambienti, la continua depassivazione meccanica degli strati superficiali protettivi, combinata con l'ambiente acquoso, accelera la perdita totale di metallo attraverso meccanismi di usura-corrosione.

Interpretazione dei risultati dei test e dei trattamenti superficiali

I test di abrasione standardizzati si basano sulla misurazione della perdita di massa del campione prima e dopo cicli di prova definiti e sulla conversione di tale perdita in perdita di volume (mm³) utilizzando la densità del materiale per classificare la durabilità comparativa dei materiali.

Studi accademici dimostrano che i trattamenti superficiali hanno prestazioni nettamente diverse a seconda del mezzo di contatto. In una valutazione comparativa dell'acciaio borurato in polvere, un trattamento di 8 ore ha migliorato la resistenza all'usura di circa 24 volte nei test ASTM G65 a secco, mentre un trattamento di 10 ore ha prodotto un miglioramento di circa 23 volte nei test ASTM G105 a umido, a dimostrazione di come il fluido interfacciale modifichi le sollecitazioni di taglio nei diversi cicli di lavorazione. 

A nostro avviso, affidarsi a calcoli teorici senza dati standardizzati sulla perdita di massa fisica crea un'inutile esposizione a guasti prematuri delle apparecchiature.

Nei test industriali di routine e nella verifica della qualità, questi parametri svolgono due ruoli principali:

• Classificazione in base alla durata e alla perdita di materiale: Secondo le procedure ASTM standardizzate, la durata del test è determinata dal numero cumulativo di giri della ruota, anziché da un tempo di esecuzione arbitrario. Le procedure ASTM G65 prevedono un numero specifico di giri, che varia da 100 giri per rivestimenti sottili fino a 6,000 giri per le leghe massicce. Analogamente, i test a umido ASTM G105 si svolgono su cicli multistadio per un totale di 4,400 giri. Su apparecchiature programmabili come il ToronTribo SRW a doppia modalità, gli operatori possono configurare contatori di cicli fino a 999,999 giri per eseguire sia test di conformità standard che prove di usura prolungate. Registrando la perdita di massa su questi valori noti di giri e dividendola per la densità del campione, si ottiene la perdita di volume standardizzata necessaria per classificare oggettivamente le leghe concorrenti.
• Qualificazione del trattamento superficiale: Il monitoraggio standardizzato della perdita di massa verifica i rivestimenti protettivi, le leghe di riporto e i rivestimenti di saldatura, stabilendo parametri di riferimento empirici per il tasso di usura che i team di ingegneri confrontano con le specifiche di approvvigionamento specifiche per l'applicazione lungo le catene di fornitura manifatturiere.

Test su sabbia asciutta: ASTM G65 e ToronTribo™ DS

La procedura con ruota in gomma e sabbia asciutta valuta l'usura abrasiva a tre corpi in condizioni non lubrificate. L'immissione di sabbia asciutta a temperatura ambiente direttamente nell'interfaccia ruota-campione permette alla sabbia fresca di dissipare il calore da attrito generando al contempo un'abrasione da graffio a bassa sollecitazione. In queste condizioni di asciutto, le particelle minerali rotolano sulla zona di contatto o si depositano temporaneamente sulla superficie di contatto, scavando il campione di prova.

Ambito di applicazione della norma: ASTM G65

La norma ASTM G65 è formalmente designata come ASTM G65-16 e ASTM G65-16(2021), intitolata "Metodo di prova standard per la misurazione dell'abrasione mediante l'apparecchiatura a ruota con sabbia asciutta/gomma". Il test con sabbia asciutta introduce sabbia di quarzo arrotondata conforme alle specifiche AFS 50/70 (da 212 a 300 micrometri) attraverso un ugello o un diffusore nell'interfaccia ruota-campione.

Per adattarsi a diversi spessori dei materiali e livelli di resistenza all'usura, lo standard ASTM G65 stabilisce cinque distinte procedure operative:

• Procedura A: Carico di 130 N, 6,000 giri. Il test più severo, utilizzato come parametro di riferimento principale per la classificazione delle leghe ad alta resistenza all'usura.
• Procedura B: Carico di 130 N, 2,000 giri. Una variante abbreviata della Procedura A utilizzata quando la perdita di volume supera i 100 millimetri cubi.
• Procedura C: Carico di 130 N, 100 giri. Un test breve progettato specificamente per rivestimenti protettivi sottili.
• Procedura D: Carico di 45 N, 6,000 giri. Una variante con carico inferiore, utilizzata per materiali meno resistenti all'usura.
• Procedura E: Carico di 130 N, 1,000 giri. Una variante abbreviata della Procedura B utilizzata per classificare i materiali a bassa e media resistenza.

In tutte le procedure, la resistenza relativa all'abrasione viene classificata calcolando la perdita di volume del campione in millimetri cubi.

Specifiche dell'apparecchiatura: ToronTribo™ DS

Il nostro tester di abrasione su ruote in gomma con sabbia asciutta (ToronTribo™ DS) supporta procedure di prova conformi alle norme ASTM G65-16 e ASTM G65-16(2021) per valutare l'usura abrasiva a tre corpi.

L'apparecchiatura utilizza una ruota di gomma rotante in senso orario, con un diametro di 228.6 mm e una durezza Shore di 60, azionata a una velocità di rotazione del mandrino di 200 ± 10 giri/min. Durante la prova, sabbia di quarzo o abrasivi minerali simili vengono alimentati liberamente nella zona di contatto attraverso un ugello metallico.

La forza normale viene applicata fino a un carico massimo di 130 N su un campione di prova di dimensioni L76 mm x W25.5 mm x H12 mm. Progettato per un'installazione standard in laboratorio, il telaio occupa dimensioni esterne di L710 mm x W740 mm x H1600 mm.

Applicazioni Industriali

Consideriamo questa configurazione di prova a secco uno strumento essenziale per il controllo qualità, la certificazione dei materiali, il confronto dei rivestimenti e lo screening di leghe o lotti di trattamento termico nei settori minerario, edile e agricolo. 

Nell'industria pesante nordamericana, queste valutazioni riflettono le condizioni operative degli utensili per la lavorazione del terreno, come i componenti per la lavorazione e le seminatrici, utilizzati in tutta la fascia agricola del Midwest statunitense. Analogamente, la selezione dei materiali per scivoli di essiccazione, tramogge, rivestimenti di frantumazione secondaria e rivestimenti di riporto o saldature nelle miniere a cielo aperto negli Stati Uniti occidentali e nello Scudo canadese si basa su prove di abrasione a secco per definire la durata di servizio dei componenti non lubrificati.

Test su sabbia umida: ASTM G105 e ToronTribo™ WS

Quando i componenti operano in ambienti umidi o sommersi, le particelle minerali abrasive si mescolano con l'acqua formando una sospensione abrasiva. L'erogazione di tale abrasivo sotto forma di miscela liquido-sabbia altera il trascinamento delle particelle all'interfaccia della ruota, modificando radicalmente la bagnabilità della superficie e la lubrificazione della sospensione. La presenza di acqua altera l'adesione interfacciale e la dissipazione termica, spostando il contatto verso un'usura abrasiva a tre corpi semi-libera.

Ambito di applicazione della norma: ASTM G105

La norma ASTM G105, intitolata "Metodo di prova standard per l'esecuzione di test di abrasione con sabbia umida e ruote in gomma", disciplina le procedure di abrasione con fanghi in laboratorio. Il regime di contatto di riferimento si concentra sull'abrasione a graffio umido a tre corpi, che determina i principali percorsi di degradazione meccanica.

A differenza dei test su ruota singola non lubrificata, il requisito operativo fondamentale della norma ASTM G105 è una procedura sequenziale a più fasi progettata per eliminare la variabilità tra i lotti di gomma:

• Una fase iniziale di rodaggio viene condotta sul campione utilizzando una ruota con durezza 50 Durometro A.
• I test procedono quindi in sequenza sullo stesso campione di prova utilizzando dischi con durezza 50, 60 e 70 sulla scala Shore A (Durometro A).
• Anziché riportare i risultati di una singola prova, l'indice di usura finale viene calcolato mediante una retta di regressione lineare ai minimi quadrati a una durezza nominale di 60 Durometro e riportato come perdita di volume in millimetri cubi.

Per la conformità standardizzata alla norma ASTM G105, la carica di base della malta richiede 0.940 kg (940 g) di acqua deionizzata miscelata con 1.500 kg (1500 g) di sabbia di quarzo arrotondata AFS 50/70. Le piattaforme di prova che supportano questo protocollo, come la nostra ToronTribo WS allineata all'edizione ASTM G105-20, forniscono le ruote di durezza Shore 50, 60 e 70 necessarie per eseguire questa sequenza a più fasi, documentando al contempo un rapporto operativo della malta di 1000 g di acqua per 1500 g di sabbia.

Specifiche dell'apparecchiatura: ToronTribo™ WS

Il nostro tester di abrasione con ruota in gomma per sabbia umida (ToronTribo™ WS) supporta procedure di prova conformi alla norma ASTM G105-20. L'apparecchiatura fa ruotare in senso antiorario una ruota in gomma di 178 mm di diametro attraverso una sospensione di sabbia minerale e acqua, mentre la documentazione del prodotto indica anche la compatibilità meccanica con miscele contenenti ghiaia per test speciali non standard.

Gli operatori possono selezionare velocità del mandrino di 240, 181, 374 o 498 giri/min, dove 240 giri/min rientra nella tolleranza ASTM G105 di 245 più o meno 5 giri/min, mentre le velocità rimanenti forniscono impostazioni non standard per ricerche personalizzate e consentono l'accesso a ruote in gomma con gradi di durezza di 50, 60 e 70 Shore A, necessari per eseguire le fasi di prova sequenziali specificate nella norma ASTM G105.

La sospensione abrasiva viene preparata con un rapporto di malta di 1000 g di acqua / 1500 g di sabbia (il testo della pagina menziona anche la ghiaia). Il banco prova può alloggiare provini di dimensioni L57 mm x W25.5 mm x H6 mm e supporta un carico massimo di 225 N. Progettata per l'installazione standard in laboratorio, la macchina misura L710 mm x W740 mm x H1600 mm e pesa circa 300 kg.

Applicazioni Industriali

Le prove su sabbia umida sono fondamentali per la qualificazione di materiali metallici e non metallici, strati di rivestimento e rivestimenti protettivi destinati all'impiego in ambienti umidi, al trasporto di acque reflue e al pompaggio di fanghi. 

Negli ambienti industriali nordamericani, queste condizioni di umidità rispecchiano gli ambienti ostili riscontrabili nelle operazioni di estrazione delle sabbie bituminose dell'Alberta, in Canada, dove le condotte idrotrasportanti, le pompe per l'estrazione del bitume e i sistemi di smaltimento degli sterili gestiscono fanghi minerali densi, sebbene la conformità formale alla norma ASTM G105 richieda sabbia silicea standardizzata anziché ghiaia di campo non calibrata. Allo stesso modo, i macchinari per il trasporto dei sedimenti e le attrezzature di dragaggio commerciali che operano lungo il sistema di vie navigabili interne del fiume Mississippi e i canali di navigazione dei Grandi Laghi richiedono leghe e rivestimenti validati contro l'abrasione da fanghi umidi.

Test a doppia modalità: ToronTribo™ SRW

Poiché le norme ASTM G65 e ASTM G105 utilizzano configurazioni geometriche correlate, i ricercatori nel campo della tribologia hanno dimostrato che un'unica struttura di prova può soddisfare i requisiti di carico meccanico, i collegamenti e le velocità del motore previsti dai sistemi ASTM G65, ASTM G105 e ASTM B611. A nostro avviso, i sistemi di prova multi-standard rappresentano l'approccio più logico per le strutture che desiderano un'ampia versatilità di prova senza occupare eccessivamente spazio in laboratorio.

Il nostro tester di abrasione con ruota in sabbia/gomma (a doppia modalità) , denominato ToronTribo™ SRW, esegue procedure di abrasione sia con sabbia asciutta che con sabbia bagnata su un'unica piattaforma, consentendo agli operatori di passare da un protocollo a secco a uno a umido a seconda delle necessità.

La piattaforma supporta procedure di prova conformi a ASTM G65-16 / G65-16(2021) e ASTM G105-20, nonché a ASTM B611-13 ("Metodo di prova standard per la determinazione della resistenza all'abrasione ad alto stress dei materiali duri"), un metodo di valutazione che specifica una controfaccia in acciaio e una sospensione di ossido di alluminio anziché una ruota di gomma e una miscela di sabbia. Contattate il nostro team tecnico per confermare le configurazioni hardware specifiche della controfaccia per le prove ASTM B611. In modalità a secco, la sabbia cade liberamente attraverso la zona di contatto, mentre in modalità a umido, l'abrasivo rimane sospeso in una malta a base d'acqua.

L'apparecchiatura è dotata di applicazione automatica del carico con un intervallo di carico da 3 a 300 N, è progettata per una forza di attrito massima di 300 N e incorpora la regolazione della velocità a frequenza variabile con una velocità massima del mandrino di 500 giri/min. La durata della prova è determinata dal numero di giri fino a un massimo di 999,999 giri, con la classificazione del materiale determinata dalla perdita di materiale del campione. 

Questo strumento da 85 kg, alimentato da una connessione elettrica di 220 V, 16 A, 50 Hz (con possibilità di alimentazione anche a 110 V), ha un ingombro esterno di 700 mm (L) x 600 mm (P) x 1450 mm (H). È progettato per un ambiente di laboratorio standard e per la valutazione di materiali e rivestimenti, leghe di riporto e riporti di saldatura in applicazioni che spaziano dall'industria mineraria alla lavorazione dei minerali, dall'edilizia al movimento terra.

Confronto delle specifiche tecniche

La tabella seguente fornisce un confronto mirato dei principali parametri operativi dei nostri tre sistemi di test:

Guida alla selezione delle attrezzature

Riteniamo che la scelta del sistema di prova più appropriato dipenda dalla perfetta corrispondenza tra le capacità dell'apparecchiatura, l'ambiente operativo, la geometria del campione e gli standard di prova da rispettare.

Scegli TorontoTribo™ DS Se:

• I requisiti di prova si concentrano sull'usura abrasiva a tre corpi non lubrificata, in conformità con ASTM G65-16 o ASTM G65-16(2021).
• Ti occupi della valutazione dei materiali per apparecchiature che operano in ambienti con attrito secco, come ad esempio i produttori di macchine agricole nel Midwest degli Stati Uniti, i produttori di macchine movimento terra per l'edilizia pesante o gli impianti di frantumazione di minerali a secco.
• È necessario eseguire test di leghe, confronti di rivestimenti o verifiche di riporto su campioni metallici e non metallici di dimensioni L76 mm x W25.5 mm x H12 mm.

Scegli ToronTribo™ WS Se:

• L'obiettivo principale dei test è la prova di usura abrasiva a tre corpi, semilibera e assistita da sospensione, in ambiente umido, in conformità con la norma ASTM G105-20.
• Sviluppi rivestimenti di riporto, giranti per pompe o rivestimenti per tubazioni destinati ad ambienti con elevata usura e presenza di fanghi, come ad esempio gli impianti di lavorazione delle sabbie bituminose in Alberta, i circuiti di raffinazione dei minerali canadesi o le operazioni di dragaggio civile lungo i corsi d'acqua statunitensi.
• Il programma di prova richiede l'accesso a ruote con durezza 50, 60 e 70 Shore A per eseguire cicli sequenziali standard e velocità operative conformi alla norma ASTM G105 utilizzando provini di dimensioni L57 mm x W25.5 mm x H6 mm.

Scegli ToronTribo™ SRW Se:

• La vostra struttura conduce ricerche comparative dirette tra metodi a secco e a umido su un'unica piattaforma.
• Gestisci un laboratorio metallurgico commerciale, un centro di controllo qualità industriale o un dipartimento di ingegneria universitario negli Stati Uniti o in Canada e devi certificare materiali sia per il settore dell'estrazione a secco che per quello delle sospensioni umide, senza dover utilizzare strumenti separati.
• Il tuo flusso di lavoro beneficia del carico automatico in un intervallo da 3 a 300 N, della regolazione della velocità a frequenza variabile fino a 500 giri/min e dei cicli di prova a rotazione controllata fino a 999,999 giri in un'apparecchiatura da 85 kg conforme alle norme ASTM G65, ASTM G105 e ASTM B611-13.

Soluzioni Torontech per test di abrasione

L'abbinamento delle apparecchiature di laboratorio ai meccanismi di usura reali sul campo garantisce dati affidabili per la certificazione dei materiali e il controllo qualità. Noi di Torontech offriamo prodotti convenienti, progettati per installazioni di laboratorio standard, fornendo a laboratori metallurgici, produttori di apparecchiature e istituti di ricerca in tutto il Nord America una strumentazione affidabile per la classificazione standardizzata dell'abrasione.

Che il vostro impianto necessiti di test specifici su sabbia asciutta, di una valutazione dell'abrasione da fanghi o di un consolidamento multiprotocollo, il nostro team di ingegneri è pronto ad assistervi. Contattate i nostri specialisti tecnici o inviate una richiesta di preventivo tramite il nostro sito web per consultare le specifiche delle apparecchiature e ricevere un listino prezzi.