TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emilio

Capítulo IIIDESGASTE DE LOS CUERPOS SÓLIDOS

3.1 - INTRODUCCIÓN.De forma general se conoce, que tanto durante el período de explotación de las máquinas, como el almacenaje, ocurren procesos que predeterminan no sólo la disminución de la capacidad de trabajo de las máquinas, sino también la pérdida total de esta cualidad.

Se reconoce que el 80 - 90 % de las piezas que se sustituyen es debido al desgaste y que las perdidas anuales causada por el desgaste en los Países desarrollados esta en el rango de 0.5 - 1 % del producto neto nacional.En Estados Unidos de Norteamérica 15000 millones/añoEn Canadá 4000 millones/añoEn Cuba 400 millones/añoLa aplicación consecuente de los conocimientos que brinda la Tribología, puede representar ahorro considerable en los gastos producto del desgaste; así por ejemplo en un informe realizado en Canadá en el año 1984 se plantea:Rama de la Economía Gasto (millones) Posible ahorroIndustria Papelera 381.5 100.3Agricultura 940 232Transporte Ferroviario 466.8 168.53.2 - DEFINICION Y DINAMICA DEL DESGASTE.Cuando una máquina entra en servicio sus distintas piezas en movimiento están sometidas, en la generalidad de los casos, a esfuerzos y solicitaciones mecánicas múltiples y combinadas.

Definición: El desgaste es un proceso complejo que se produce en las superficies de los cuerpos sólidos debido a la fricción de otro cuerpo o medio; trayendo por consecuencia la variación de la macro y microgeometria superficial; de la estructura; y de las propiedades de las capas superficiales; con o sin perdida de material.

Dinámica del desgaste.La ley que define la variación de la magnitud del desgaste con el tiempo se denomina "dinámica del desgaste". El modelo mas tradicional de la dinámica del desgaste se da en la Fig.3.1

Fig. 3.1- Dinámica del desgaste. 1 - Periodo de asentamiento;2 - Periodo de desgaste (normal); 3.- Periodo de desgaste catastrófico.

Periodo de Asentamiento.Se caracteriza por una alta velocidad e intensidad del desgaste. La magnitud del desgaste en este periodo puede llegar al 30 - 50 % del desgaste permisible. Durante este periodo el contacto se produce en los picos mas altos de la rugosidad superficial generando altas presiones y deformaciones; con el transcurso del tiempo aumenta Ar y la velocidad del desgaste se hace menor.

Periodo de desgaste normal.Producto de la disminución de las presiones reales, al existir una mayor área de contacto real; la velocidad del desgaste se hace constante y el desgaste sigue aumentando con un ritmo mas lento; hasta llegar al punto B (Fig. 3.1)

Periodo de desgaste catastrófico.La magnitud del desgaste es tal que se genera en la unión tribológica cargas dinámicas complementarias; lo que representa aumento de la temperatura; del nivel de ruido; y de las vibraciones; este periodo se conoce como "periodo de avería"

3.3 - MECANISMOS DEL DESGASTE.Las altas tensiones que surgen en las áreas reales de contacto y la temperatura que producto de la fricción se genera predefinen, para cualquier par tirbológico los siguientes mecanismos básicos de enlace (agarre) superficial: Mecánico, Térmico, Químico, y adhesivo (Fig.3.2).

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Fig. 3.2 – Relación entre el tipo de agarre y el mecanismo de desgaste.El mecanismo mecánico depende en primer lugar de las deformaciones elasto – plásticas que tienen lugar en las microirregularidades en contacto y de la magnitud de las tensiones térmicas. este tipo de deterioro origina diferentes niveles de defectos de la estructura y el incremento de las tensiones residuales.

Los procesos térmicos surgen como consecuencia de la acción del calor generado durante la fricción y en otros casos por fuentes externas. Este tipo de deterioro está relacionado con los cambios del estado físico de las fases de los materiales heterogéneos o de sus estructuras y define el mecanismo de desgaste.

Los procesos químicos se caracterizan por la formación de finas capas superficiales pasivas, como resultado de la interacción de las superficies con medios gaseosos o el medio circundante. Este tipo de destrucción característico para todo los regímenes de fricción y con mayor incidencia en la fricción lubricada. La capa triboquímica protege la superficies de contacto del mecanismo mecánico y al mismo tiempo frena la interacción adhesiva de las superficies de fricción.

Partiendo de la concepción de que el desgaste es el efecto de la fricción y de que esta tiene una naturaleza dual se establecen dos mecanismos básicos: ADHESIVO Y MECANICO.Mecanismo adhesivo.- La atracción molecular (cohesión) produce una unión adhesiva (micro soldadura) de las asperezas en contacto; el movimiento relativo de los cuerpos cizalla esta unión produciendo la transferencia de un material de un cuerpo hacia otro y/o la generación de partículas de desgaste.

Como adhesión se entiende el fenómeno de formación de una fuerte unión de los metales en las áreas reales de contacto como resultado de la fricción, de los procesos de deformación mutua y para temperaturas inferiores a la de recristalización. Durante estos procesos se forman fuertes uniones en diferentes puntos en contacto.

Durante el contacto de las asperezas estas se "arrugan" y se produce el efecto mecánico de "engrane" (Fig.3.3); lo cual constituye la causa primaria de la adhesión.

Fig. 3.3 - Proceso de deformación plástica de lasasperezas.(arrugado y engrane).

La generación de calor producto de la fricción, de las deformaciones plásticas produce un incremento rápido de la temperatura en los puntos de contacto causando la "difusión" en la interfase; la cual es la causa secundaria de la adhesión; el movimiento relativo produce el cizallamiento de la unión (Fig. 3.3)

En dependencia de la resistencia al cizallamiento de la unión adhesiva y de los materiales base; la rotura de la unión se puede producir de cuatro formas diferentes:

Fricción por cizallamiento.- Si la unión adhesiva es menos resistente que los materiales base; el cizallamiento ocurre en la interfase (Fig.3.4).- La cantidad de material transferido es pequeña a pesar de que la fricción puede ser alta.

Fig. 3.4 - Fricción por cizallamiento. 1 y 2 material base; 3-interfase.

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emilio Fricción por soldadura.- La unión adhesiva es mas resistente que uno de los materiales base ( Fig.3.5 ); la destrucción ocurre en la masa del material menos resistente produciéndose la transferencia de material del cuerpo blando al cuerpo duro y la unión adhesiva más resistente que ambos materiales bases (Fig.3.5), en este caso la ruptura ocurre por los materiales ocurriendo la transferencia de material de uno al otro.

Fig. 3.5 - Proceso de cizallamiento de la unión

La unión adhesiva es más resistente que ambos materiales base: La ruptura de la unión ocurre fundamentalmente por la masa del material menos resistente, pero también puede ocurrir desprendimiento de partículas de la masa del material más resistente. El intenso desgaste del material más blando puede estar acompañado del desgaste del material más resistente (Fig. 3.6).

Fig. 3.6- Ruptura de la unión por ambos materiles bases.

La resistencia de la unión es igual a la de los materiales base: En este caso la unión esta expuesta a una adherencia que incrementa la resistencia al cizallamiento. Es por ello que muy pocas beses la ruptura ocurre por la unión. Generalmente esta tiene lugar a determinada profundidad de la masa de los metales bases.

El proceso de formación y destrucción de las capas superficiales de los pares de fricción producto del desgaste adhesivo depende de la forma constructiva de las piezas, de los materiales del par y del régimen de fricción.

Mecanismo mecánico.El mecanismo mecánico del desgaste puede presentar las siguientes formas:

Fatiga superficial.- Se presenta durante el contacto elástico o plástico de las capas superficiales. Durante el movimiento de una aspereza sobre una superficie deformable se presenta un cuadro tensional complejo; aparece delante de la aspereza una zona sometida a compresión (Fig.3.7) y una zona de tracción detrás de la aspereza; trayendo por consecuencia la fatiga de las capas superficiales.

Fig. 3.7 - Estado tensional en el contacto de una aspereza.

Durante las deformaciones elásticas la fatiga de las capas superficiales se produce para un número de ciclos de interacción alto; en el caso de las deformaciones plásticas se produce la conocida "fatiga de bajo número de ciclos".

Microcorte - Se produce debido a una penetración profunda de las asperezas dura sobre las superficies blanda; o producto de la acción de partículas abrasivas libres proveniente del medio (Fig..3.8). Se establece que el microcorte ocurre cuando h/R > 0.1.

Fig.3.8 - Modelo del proceso de macrocorte.

Deformaciones plásticas de la macrogeometria - Se produce en los casos de uniones de rozamiento sometidos a grandes cargas ( c> y ); velocidades lentas y materiales de baja dureza; en este caso solo hay variación de la macrogeometria (Fig.3.9).

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Fig. 3.9 - Macroderfomaciones plásticas.

3.4 - INDICADORES DEL DESGASTELa determinación cuantitativa del desgaste ha sido de interés para la mayoría de los tribólogos de diferentes épocas ya que ello permitiría incorporar a los cálculos de diseño el efecto de la fricción y el desgaste, sin embargo este es un problema no resuelto en la actualidad debido en lo fundamental a que sobre ambos influyen toda una serie de factores relacionados con las condiciones de explotación, la naturaleza de los cuerpos en contacto y las condiciones del medio.

Los avances alcanzados por la tribología han establecido determinados parámetros que caracterizan al desgaste. Estos parámetros se reconocen como indicadores del desgaste y permiten evaluar , estudiar, caracterizar y diagnosticar el desgaste. En dependencia del método empleado para la determinación de los valores absolutos del desgaste el mismo puede ser: Lineal(Wh), gravimétrico(Wg) o volumétrico (Wv).

El desgaste de los elementos de máquinas se produce con o sin pérdida de material, es por ello que la evaluación de la magnitud del mismo se puede cuantificar o expresar por diferentes indicadores:

Desgaste lineal (Wh, µm): Se utiliza cuando los valores absolutos del desgaste son de medianos a altos y está fundamentado en la medición de las dimensiones de las piezas antes y después del ensayo de desgaste, la exactitud de este método depende la de calidad de los medios de medición que se utilicen. Para la determinación de los valores absolutos del desgaste mediante este método se utilizan instrumentos tales como calibres interiores y exteriores, dispositivos mecánicos de palancas, dispositivos ópticos, microscópios instrumentales y universales, pasámetros, bloques planos paralelos, micrométros exteriores e interiores, indicadores de carátula etc. Conciendo el desgaste lineal se determina la intensidad lineal del desgaste (Ih ).

(3.1)

Desgaste volumétrico (Wv, mm 3 ) .: Este se fundamenta en la medición del volumen antes y después del proceso de desgaste. Es también usado con frecuencia y al igual que el indicador anterior requiere de medios de medición de alta precisión. Este generalmente se determina partiendo del indicador lineal del desgaste.

(3.2)

Desgaste gravimétrico (Wg ,mg): Este indicador generalmente se utiliza para la determinación del desgaste de piezas de pequeñas dimensiones las cuales se pesan antes y después del desgaste. Antes del pesaje las piezas deben ser lavadas y secadas eliminar partículas, polvos, los productos de desgaste, grasas y otros.

El grado de exactitud de este método depende de la exactitud de las balanzas. Este método no se recomienda en los casos en que las dimensiones de las piezas cambian no solo como resultado del desprendimiento de partículas de la superficie de los materiales sino también debido a las deformaciones plásticas, así como para la determinación del desgaste de materiales porosos bajo regímenes de fricción lubricada. La intensidad del desgaste se determina como:

(3.3)

En la práctica industrial resulta beneficioso transformar el desgaste gravimétrico (perdida de masa) desgaste lineal (variación de dimensiones). Lo anterior se basa en el hecho de que en la mayoría de los casos los pares tribológicos están formados por materiales de diferentes pesos específicos. Por consiguiente la relación entre el indicador gravimétrico y lineal del desgaste se expresa en la ecuación 4.4.

(3.4)

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emiliodonde:

Wg - desgaste por diferencia de peso (mg)An - área normal de la superficie de contacto ( cm2)

- peso específico del material g/cm3

S- Recorrido de fricción en Km

El método de diferencia de peso no se recomienda utilizar en aquellos casos donde el desgaste no es solo como consecuencia del desprendimiento de partículas sino también a causa de deformaciones plásticas.

Intensidad energética del desgaste (Ie): La intensidad energética del desgaste se utiliza fundamentalmente para evaluar materiales de frenos, embragues, etc. Esta relaciona el desgaste volumétrico y el trabajo de fricción.

(mm3/N - m) (3.5)

Resistencia al desgaste (Wd ): Es la capacidad de un material de ofrecer resistencia al desgaste y se determina como el inverso del desgaste. A de señalarse que la misma dependerá del tipo de indicador que se haya utilizado para medir el desgaste (Wh, Wg, Wv).

(3.6)

Resistencia relativa al desgaste (Wr ): Es la relación que existe entre el desgaste de la muestra que se está ensayando y el patrón de referencia que puede ser el establecido por la norma o el tomado como referencia durante los estudios.

(3.7)

Velocidad o razón de desgaste (W'): A través de este indicador se mide el ritmo del proceso de desgaste y no es más que la relación que existe entre el desgaste y el tiempo en que este ha tenido lugar.

(3.8)

3.5 - TIPOS DE DESGASTE.Dentro de la tribología un aspecto de extremo cuidado resulta la definición o clasificación de los diferentes tipos de desgaste por lo complejo que resulta este fenómeno y por el hecho de que en la mayoría de los casos pueden estar teniendo lugar más de un tipo de desgaste. No es posible dar una regla fija de par todas las formas de desgaste, y este es afectado por una gran diversidad de factores, entre ellos se pueden mencionar el tipo y magnitud de la carga, velocidad, cantidad y tipo de lubricante, clase de lubricación temperatura de las superficies y del volumen del volumen del material, propiedades mecánicas de los mismos (dureza, resistencia a la deformación, etc.), acabado superficial, presencia de partículas extrañas, naturaleza química del medio ambiente, la cual tendrá una importancia decisiva al variar la naturaleza de las superficies, etc., y de acuerdo con las variaciones que pueden introducir éstos y otros factores, serán más o menos acusados los efectos del desgaste producido. Normalmente, en ingeniería no se presenta un tipo de desgaste aislado. Por esta causa no es fácil, en una aplicación establecer con seguridad el tipo de desgaste que ha tenido lugar y menos aún remediarlo.

La existencia de una o mas forma de los mecanismos de desgaste explicados da lugar a diferentes tipos de desgaste en los elementos de máquinas; en este sentido se puede plantear que aun no existe una forma única de designación y clasificación de los tipos de desgaste; por lo que en esta conferencia se trataran los tipos fundamentales y mas generales.

Hasta el momento no se han definido los factores a partir de los cuales se puede clasificar el desgaste y como es natural no se ha creado una clasificación única del desgaste.

De manera general resulta perspectivo considerar tres etapas fundamentales que consideran la composición de las capas superficiales y permiten evaluar los materiales del par (Tabla 3.1).

Las etapas 1 y 2 se relacionan entre si por el tipo de capa que se forma y la 2 y la 3 por el tipo de partícula de desgaste que se origina.

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García EmilioUna determinada superposición de los mecanismos de enlaces de fricción predetermina el tipo de deterioro superficial y al mismo tiempo el mecanismos de desgaste predominante en el par tribológico.

Tabla 3.1 – Clasificación de los tipos de deterioros superficiales y el desgaste.ETAPA I ETAPA II ETAPA III

Tipo de agarre superficial Tipo de deterioro superficial Mecanismo de desgaste superficial

MECANICO (M) CIZALLAMIENTO ABRASIVOTERMICO (T) DEFORMACIONAL FATIGA SUPERFICIALQUIMICO (Q) ADHESIVO ADHESIVOABSORCION (Ab) TRIBOQUÍMICO MECÁNICO – CORROSIVO

Este tipo de clasificación permite considerar todos los procesos que intervienen en la formación de la fina capa de fricción y por consiguiente la variación de sus propiedades. Esto da la posibilidad de evaluar de manera concreta la capacidad de trabajo de los pares tribológicos y tal como será demostrado en lo posterior de obtener modelos de cálculos confiables que posibilitan determinar su durabilidad.

La incidencia de cada tipo de desgaste en la industria según estudios realizados por Eyre es la siguiente:Desgaste abrasivo. 50 %Desgaste adhesivo. 15 %Desgaste mecánico - corrosivo. 5 %

Desgaste erosivo. 8 %Desgaste por oxidación dinámica. 8 %Desgaste por fatiga y otros tipos. 14 %

Es necesario aclarar que en la practica pueden coexistir dos o mas tipos de desgaste y que en determinados momentos uno se puede transformar en otro.

DESGASTE ADHESIVO. La dinámica de este tipo de desgaste se define por una serie de factores físicos y estructurales. En calidad de uno de estos factores está la capacidad de los materiales de fricción de formar soluciones duras. Está claro que los materiales base Titanio y el Níquel tienen características negativas durante su interacción con las aleaciones base cobre y cromo, lo cual esta relacionado con su solubilidad mutua. Desde el punto de vista ideal es necesario tratar de seleccionar para pares de fricción materiales bases con diferentes estructuras, propiedades químicas y solubilidad.

Durante la fricción por deslizamiento el desgaste adhesivo puede tener un comportamiento acorde a cualquiera de las tres curvas representadas en la figura 3.10.

Fig. 3.10 - Dinámica de la velocidad del desgaste adhesivo. Durante el desgaste de tipo 1 (ver figura 3.10) se tienen durante todo el periodo de explotación un alto nivel de desgaste (desgaste severo). Para esta forma de desgaste no aparecen en la superficies de los elementos de la unión, ni de las partículas de desgaste capas de óxidos. Durante el desgaste de tipo 3 se observa un bajo nivel de desgaste durante todo el periodo de tiempo de trabajo del par. En este caso las superficies de los cuerpos sometidos a fricción y las partículas de desgaste no son más que óxidos y estas últimas tienen un tamaño muy inferior al de las que se obtienen durante el desgaste de tipo 1. Durante la primera etapa el desgaste del tipo 2 es severo y las superficies de fricción no se oxidan. En las etapas posteriores la fricción genera capas superficiales triboquímicas y la velocidad de desgaste disminuye considerablemente.

La naturaleza del desgaste hace que el desgaste adhesivo este siempre presente en mayor o menor grado en las uniones de rozamiento. En la practica de ingeniería se conoce también con los nombres de: desgaste por frotamiento; rayado adhesivo; gripado; agarrotamiento; agripamiento; tales denominaciones se deben a la intensidad del desgaste, estados de las superficies desgastadas y tipos de elementos de máquina.

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García EmilioEl desgaste adhesivo esta presente en los siguientes elementos de máquinas: cojinetes de deslizamiento; transmisiones por engranes y tornillo sin-fin; guías de deslizamiento; levas; grupos piston-aro-cilindro; etc. Los factores que definen el desgaste adhesivo son:

1. Condiciones de lubricación (seco o lubricado); abastecimiento de lubricante; calidad del lubricante.

2. Compatibilidad metalúrgica (solubilidad mutua) de los materiales de la unión tribológica.

Microgeométria superficial.

3. Condiciones de trabajo: carga, velocidad y temperatura.

4. Tipos de desgaste adhesivo.

Desgaste adhesivo por pulido o de fricción por cizallamiento.- Se produce cuando la unión adhesiva falla por la interfase no produciendose prácticamente transferencia de metal y la superficie desgastada aparece pulida. Se presenta en materiales de alto grado de incompatibilidad metalúrgica (k = 10-6 ÷ 10-8).

Desgaste adhesivo superficial- Es característico de pares metálicos con poca compatibilidad metalúrgica sometidos a altas velocidades de deslizamiento (aceros V = 3 - 4 m/s); grandes presiones de contacto y altas temperaturas superficiales (T = 1500 °C). Se produce durante la fricción seca en superficies contaminadas (capas de óxido) y durante la lubricación límite, en este caso son necesarios altas presiones que destruyen la película límite (carga crítica del lubricante).

El desgaste adhesivo superficial se caracteriza por presentar una superficie con rayas o surcos pocos profundos en dirección del movimiento (Fig.3.11); con los siguientes parámetros.

Fig. 3.11 - Modelo físico de la superficie desgastada durante el gripado.

Profundidad de la capa destruida: h 100 µm.Tamaño de la partícula de desgaste d = 2 - 20 µmRazón de desgaste. W'= 1 - 5 µm/h

Coeficiente de desgaste k = 10-4 - 10-6

Densidad de energía aparente e* = 106-103 N-m/ mm3

Intensidad lineal del desgaste Ih = 10-9-10-5

Tensión de rotura de la unión tn = 103-10-2 Mpa

Desgaste adhesivo profundo - La ausencia de capa de óxido superficial, superficies pobremente lubricadas; la existencias de superficies no contaminadas; la igualdad de la microgeometria superficial y de composición química; la compatibilidad metalúrgica; las velocidades lentas (aceros V<1m/s); las altas presiones que superan el límite de fluencia (deformaciones plásticas) son los factores que propician el surgimiento del desgaste adhesivo profundo o atrancamiento.

Este desgaste se caracteriza por presentar una superficies desgastada con surcos profundos (Fig.3.12) con los siguientes parámetros:

Fig. 3.12 - Modelo físico de la superficie del desgaste profundo.

Profundidad de la capa destruida. h 500 µm.

Tamaño de la partícula de desgaste d = 20 - 200 µmRazón de desgaste W' = 5 - 15 µm/h.

Coeficiente de desgaste k = 10-2 - 10-4.

Densidad de energía aparente e* = 104-101N-m/ mm3

Intensidad lineal del desgaste Ih = 10-7 - 10-3

Tensión de rotura de la unión tn = 103 - 102 Mpa

Un aspecto importante a considerar durante el análisis del desgaste adhesivo es el relacionado con los materiales de la unión tribológica. En este sentido se debe evitar en la medida que sea posible la alta compatibilidad metalúrgica de

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emiliolos materiales. Por ejemplo: Par hierro fundido perlítico - hierro fundido perlítico se consideran materiales de alta compatibilidad, contaminado, y pobremente lubricado ya que el grafito contenido en el hierro fundido actúa como un lubricante sólido. Los pares bronce – acero duro, babbit - acero se consideran materiales con una cierta tendencia a la adhesión. El par aleaciones de aluminio – hierro fundido se consideran materiales semicompatibles y con lubricación deficiente, aún cuando trabajen en condiciones de fricción seca . El par bronce al plomo – acero al carbono se considera como materiales con baja tendencia la adhesión. EL par acero blando – acero blando se considera de alta tendencia a la adhesión. El par acero templado – acero templado en la práctica se comporta como materiales semicompatibles.

DESGASTE ABRASIVO: Este tipo de desgaste no es más que el corte o rayado de las superficies de fricción debido a la acción de partículas duras. Su nivel de intensidad define la capacidad de trabajo del par de fricción.

La utilización de materiales de elevada resistencia, donde el mecanismo fundamental de desgaste resulta la fatiga superficial, a de suponerse que la rotura tendrá lugar a un elevado número de ciclos, si las tensiones de contacto no alcanzan el valor crítico. Entonces el número de ciclos para la rotura será tan alto cuanto menor sea la relación entre las tensiones de contacto y la crítica.

El análisis del mecanismo de desgaste abrasivo muestra que en la mayoría de los casos el desprendimiento de partículas puede mezclarse con el efecto de la fatiga superficial. En este caso la profundidad de la capa desgastada (Wh) depende de la presión de contacto y el recorrido de fricción.

(3.9)

El problema fundamental durante la determinación de la intensidad del desgaste abrasivo radica en la definición de sobre la base de cual propiedad determinar el factor límite de fluencia (y). Jruchov M. M. recomendó en calidad de esta propiedad la microdureza. Con posterioridad se demostró que esta solución no presentaba un carácter universal y era necesario, en casos concretos considerar la estructura del material desgastado. Como segundo criterio se recomendó el modulo de elasticidad, pero al comprobar su universalidad se demostró que no era suficiente, en primer lugar porque este no es sensible a los cambios estructurales durante el desgaste de las capas superficiales activas.

Durante el estudio del desgaste abrasivo se debe considerar el efecto de rayado de las partículas abrasivas en los materiales de fricción. Está definido que la profundidad de penetración y la cantidad de partículas disminuye con el incremento de la dureza de los materiales del par, lo que ejerce sobre el desgaste del contra cuerpo un efecto contrario. La ley general plantea que existe una dureza optima para el material más blando, valor por debajo del cual comienza a tener lugar un incremento de la intensidad del desgaste del contracuerpo debido a la magnitud de esta dureza y superior a ella, una disminución.

Varios son los factores que de una forma u otra tienen una marcada influencia sobre la intensidad del desgaste abrasivo. Dentro de estos uno muy importante resulta el tamaño de las partículas abrasivas duras. Existe un determinado diámetro de la partícula por encima del cual el desgaste permanece invariable (Fig. 3.13; 1- acero; 2- Bronce).

Fig. 3.13 – Influencia del tamaño departícula sobre el desgaste abrasivo.

A pesar de que no ha quedado del todo demostrado cual es el tamaño de partícula crítico, se puede decir con una determinada precisión que el tamaño de las partículas abrasivas no debe sobrepasar los 0.2 mm.

Otro de los factores que tiene una marcada influencia sobre la resistencia al desgaste abrasivo es la relación entre la dureza de los materiales y la de la partícula abrasiva (Fig. 3.14).

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emilio

Fig. 3.14 – Relación entre la resistencia al desgaste y la relación de dureza del material y el abrasivo.

En la figura 3.14 la región 1 representa la zona de desgaste intensivo y la 2 la zona de disminución de la intensidad del desgaste abrasivo. Para esta dependencia la resistencia al desgaste paulatinamente incrementa si la dureza de la superficie sometida a la interacción con el abrasivo es superior como mínimo a la mitad de la del abrasivo.

La intensidad del desgaste abrasivo también se ve afectada por la velocidad de deslizamiento, sobre todo si las condiciones de fricción no cambian el mecanismo de desgaste.

Los sistemas de desgaste con la existencia de material abrasivo pueden estar dado de varias formas, lo que lo hace convertirse en un par de fricción no clásico. El desgaste abrasivo está definido por dos mecanismos básicos:

Mecanismo de microcorte - Si la penetración de la aspereza o partícula abrasiva sobre pasa cierto valor crítico; si la dureza de las partículas abrasivas es superior a la del material y si se sobrepasa el límite de rotura del material se produce el microcorte de las capas superficiales; generando partículas de desgaste (Fig.3.15).

Fig. 3.15 - Mecanismo de microcorte.h/R > 0.1c > rot Ha > Hm (3.10)

Mecanismo de deformación plástica (macrodeformación).- Si las tensiones de contacto son inferiores al límite de rotura; si el grado de penetración esta por debajo del valor crítico se produce las deformaciones plásticas trayendo por consecuencia el rayado o raspado de las superficies en dirección arbitraria; no se genera partículas de desgaste (Fig.3.16).

Fig. 3.16 - Mecanismo del rayado abrasivoh/R 0.1 y < c < rot (3.11)

Tipos de desgaste abrasivoEn dependencia del elemento abrasivo; su grado de libertad; el tipo de unión de rozamiento;la relación de dureza abrasivo-material; etc se presentan diferentes tipos de desgaste abrasivo.

Desgaste contacto - abrasivo por microcorteSe produce cuando las asperezas del cuerpo penetran en el cuerpo blando una magnitud superior a un valor crítico.

hR

n

rot

12

1 2 t

(3.12)

Se caracteriza por la generación de partículas de desgaste en forma de limallas o virutas. (Fig.3.16)

k = 2*10-1 - 10-3.

Ih = 10-7 - 10-2.

e* = 103 - 10 N-m/mm3.

tn = 103 - 10-2 MPa.

Desgaste contaminante - abrasivo por deformaciones plásticas

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García EmilioSe produce cuando h/R no cumple la relación establecida en la expresión (3.12).

Se caracteriza por el rayado de la superficie, sin desprendimiento de partículas de desgaste (Fig.3.16).

En este caso:

Ih = 10-9 - 10-4;

e* = 105 - 10² N-m/mm3;

tn= 103 - 10-2 Mpa

Desgaste en masa abrasiva forma mecánico-química.El desgaste en masa abrasiva es característico de máquinas u equipos de la agricultura; de la industria de materiales de la construcción; de equipos de la construcción civil.

La forma mecánico - química se produce cuando la relación dureza material - abrasivo cumple la siguiente condición:

Hm/Ha > 0.6 (3.13)

Durante esta forma se producen deformaciones plásticas, oxidación de las capas deformadas y destrucción de las mismas.

Los parámetros que identifican esta forma son:

- Profundidad de la capa destruida h 0.2 mm- Velocidad de desgaste W' < 0.5 µm/h

-Densid. de energía aparente e* = 106-105 N-M/mm3

Desgaste en masa abrasiva forma mecánicaSe caracteriza por la penetración de la partícula abrasiva en la superficie del cuerpo; pudiendo presentarse los dos mecanismos de desgaste abrasivo.

Se produce cuando Hm/Ha < 0.6 y se identifica con los siguientes parámetros:

-

Profundidad de la capa desgastada h 20 mm.- Velocidad del desgaste. W' = 0.5 - 50 µm/h

- Dens. de energía aparente e* = 10² - 10 N-m/mm3

Desgaste abrasivo de tres cuerpos.Es propio del desgaste de uniones de rozamiento en las cuales ha penetrado partículas abrasivas procedentes del medio o cuando las partículas de desgaste no tienen posibilidad de salir de la unión. Se conoce también como "abrasión de alta presión".

Se ha establecido que la resistencia al desgaste abrasivo de tres cuerpos es:

WD = M _ (H1 + H2) (3.14)

Si se varia la dureza de uno de los materiales (H1 ó H2) de la unión de rozamiento varia la WD; los mayores desgaste se producen cuando H1 H2.

La concentración de partículas en la unión de rozamiento influye en la magnitud del desgaste; así se tiene:

k = 7×10-3 - 5*10-4 = alta concentración de partículas.

k = 5×10-4 - 10-5 = baja concentración de partículas.

DESGASTE ABRASIVO POR IMPACTOEl mecanismo de desgaste abrasivo por impacto no solo se puede relacionar con el impacto directo de la partícula abrasiva sobre la superficie de la pieza. Finalmente la naturaleza del desgaste abrasivo por impacto se define por el carácter de interacción con la superficie de desgaste. Por tal motivo durante el análisis del surgimiento y desarrollo del desgaste abrasivo por impacto independientemente de la forma de las superficies en contacto como causa fundamental se debe considerar la penetración directa de la partícula abrasiva en la superficie desgastada sin tomar en cuenta la forma y sentido del movimiento de esta por la superficie de contacto.

Durante el desgaste abrasivo por impacto la superficie de desgaste toma un aspecto poroso, representadas claramente por muescas de diferentes tamaños y profundidades y como resultado de la penetración de las partículas abrasivas. En una superficie de este tipo no se crea una rugosidad direccional definida por surcos y rayaduras, lo cual es típico del conosido desgaste abrasivo bajo codiciones de fricción por deslizamiento. Por consiguiente un aspecto definitorio y confiable para el diagnóstico del desgaste abrasivo por impacto resulta el macro relieve de la superficie desgastada.

El desgaste abrasivo por impacto se puede ocurrir de diferentes formas.

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emilio Impacto contra abrasivo monolítico. Bajo este tipo de desgaste se deterioran los elementos e instrumentos de las máquinas de perforación de posos de petróleo y gas, equipos de las plantas trituradoras de piedra, de movimiento de tierra y maquinarias agrícolas, martillos neumáticos, etc (Fig. 3.17).

Fig. 3.17 – Impacto contra un abrasivo monolítico.

Impacto contra partículas abrasivas libres depositadas sobre una superficie. Generalmente tiene lugar cuando entre las superficies de las piezas en contacto se introducen abrasivos u otro tipo de partícula de eleva dureza que provocan la destrucción de ambas superficies, así como la aproximación de estas (Fig. 3.18).

Fig. 3.18 – Impacto contra partículas abrasivas libres.

Este tipo de desgaste es característico de procesos de estampado, así como elementos de las excavadoras en el momento de carga y descarga durante el proceso de extracción.

Impacto de partículas abrasivas que se mueven dentro de un fluido . En este caso la magnitud y forma del desgaste depende del ángulo de impacto de la partícula, si este es de 90 se produce solamente impacto del abrasivo sobre la superficie de desgaste, provocando un macro relieve formado por poros de diferentes tamaños y profundidades(Fig. 3.19).

Fig. 4.19– Impacto contra partículas abrasivas que se mueven dentro de un fluido.

Si el impacto se produce para un ángulo diferente de 90 se produce impacto más deslizamiento por consiguiente se crea un rugosidad definida por surcos y rayaduras. En este aparecen dos formas de desgaste, una dada por el microcorte de la superficie producto del deslizamiento de las partículas abrasivas duras por esta para ángulos diferentes a 90 y abrasivo por impacto.

Impacto contra partículas abrasivas libres durante la rodadura de un disco por una superficie plana . El encuentro del disco rodante con las partículas abrasivas provoca el impacto de estas contra la superficie del disco (Fig. 3.20).

Fig. 4.20 – Impacto contra partículas abrasivas libres durante la rodadura de un disco sobre una superficie plana.

Sobre esta forma de desgaste influye la dureza, forma, tamaño y resistencia de la partícula abrasiva, la estructura y propiedades del material de la superficie del disco rodante y la magnitud de la carga que sobre este actúa.

Impacto contra partículas abrasivas libres durante la rodadura de un disco por una superficie esférica . Este tipo de desgaste es característico de los rodamientos de apoyo de la cabina de mandos de las excavadoras en los cuales durante el proceso de excavación las partículas abrasivas libres presentes en el medio se introducen en la zona de contacto de las pista del rodamiento (Fig. 3.21).

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emilio

Fig. 3.21 – Impacto contra partículas abrasivas libres entre discos rodantes.

Otro de los elementos que están sometidos a este tipo de faya son las máquinas centrifugas empleadas para la trituración de materiales de la construcción y equipos trituradoras de materiales, así como plantas productoras de cementos. Bajo este esquema se desgastan los bastagos de los molinos de cabillas destinados a la trituración de abrasivos de determinada granulometría.

DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTOLa teoría del desgaste por fatiga superficial fue planteada por Kragelski en 1952 y ha sido desarrollada por él y sus colaboradores. Según sus postulados los ciclos de cargas alternativas que surgen en las microirregularidades de los cuerpos en fricción condicionan el deterioro paulatino de sus superficies y con ello el surgimiento de su rotura. Se supone que para tensiones superiores al límite de fatiga surjan tres estadios característicos del proceso de variación de las microtensiones: 1- De rápida disminución, 2- De estabilización y 3- De rápido incremento. El efecto final está relacionado con la formación de microgrietas en la capa superficial.

Desde el punto de vista práctico resulta muy importante, el hecho de que, el material lubricante disminuye considerablemente las tensiones superficiales y como resultado el proceso de formación de las grietas se torna lento. Lo anterior hace que crezca el número de ciclos a los cuales tiene lugar la rotura.

El coeficiente de fricción y la intensidad del desgaste durante el mecanismo de desgaste por fatiga superficial para todos los tipos de materiales van a depender de la presión y la velocidad de deslizamiento.

Para el caso del par Duro – Duro el coeficiente de fricción (f ) aumenta con el incremento de la presión (Pn), siendo menor el grado de influencia en los pares lubricados, es decir de igual comportamiento pero de menor magnitud. En sus inicios el incremento de la velocidad trae consigo un ligero incremento del coeficiente de fricción y en lo posterior una estabilizacion.

Para el par Duro – Blando el incremento de la presión y la velocidad siempre provocan un incremento del coeficiente de fricción.

De acuerdo al estado tensional-deformacional de las capas superficiales se distinguen dos tipos de desgaste por fatiga:

Desgaste por fatiga de alto número de ciclos y desgaste por fatiga de bajo número de ciclos.

Desgaste por fatiga de alto número de ciclo - Se produce cuando las capas superficiales de los cuerpos en contacto están deformadas elásticamente.

El número de ciclos que lleva a la producción de partículas de desgaste se conoce como "número de ciclos crítico- elástico" (nE).

(4.15)

La tensión friccional tf se determina según la siguiente expresión:

tf = bf Pr (4.16)ß - Coeficiente que se toma igual a: b = 2 materiales de alta elasticidad.

b = 3 materiales frágiles.

El exponente de la curva de fatiga (t) de pende del tipo de material.

La intensidad lineal del desgaste varia en el rango de Ih = 10-13 - 10-7; la densidad de energía aparente e* = 109 - 106 N-m/mm3; el número de ciclos para la fatigank= 105 - 108.

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emilio Desgaste por fatiga de bajo número de ciclos.- Se presenta cuando se producen deformaciones plásticas en las asperezas en contacto. Este tipo de desgaste esta presente en la mayoría de los elementos de máquinas y se hace mas evidente durante el periodo de asentamiento.

El número de ciclos a los cuales surge la fatiga plástica se calcula según:

(4.17)

La deformación unitaria a tracción (Et) se obtiene de los diagramas tensión-deformación para 5 % de elongación. La deformación unitaria producto de la fricción (Ef) se calcula:

Ef = C f tg (9)

donde C = 0.01 - 0.05; y = 5 - 10° ángulo de inclinación de las asperezas.

Los parámetros que caracterizan este tipo de desgaste son:Ih = 10-7 - 10-5.e* = 106 - 104 N-m/mm3.

np = 10² - 104.

Un tipo de desgaste por fatiga superficial muy difundido en las transmisiones dentadas (engranes); cojinetes de rodamiento; levas; etc. se conoce con el nombre de "picadura".

En la tabla 3.2 se muestran las clases de resistencia al desgaste por fatiga establecidas por el profesor Kragelsky I. V. Estas clases de resistencia al desgaste se determinan a partir de la intensidad del desgaste, y el tipo de deformación predominante en las microirregularidades en contacto.

Tabla 3.2 – Clases de resistencia al desgaste de pares

tribológicos de las máquinas, equipos y aparatos.Clase de

resistenciaIntensidad del Desgaste, Ih Tipo de interacción de

contactode hastaCero 10-13 10-12

ElásticaUno 10-12 10-11

Dos 10-11 10-10

Tres 10-10 10-9

Elásto – PlásticaCuatro 10-9 10-8

Cinco 10-8 10-7

PlásticaSeis 10-7 10-6

Siete 10-6 10-5

Ocho 10-5 10-4

Microcorte (rayado severo y suave)

Nueve 10-4 10-3

Diez 10-3 10-2

En condiciones reales de explotación, es decir a escala industrial el desgaste que con mayor tiene lugar es el desgaste por fatiga superficial. Sin embargo resulta real el hecho de que el paso de un mecanismo de desgaste a otro está en dependencia de las condiciones de fricción. Es posible la transición del desgaste adhesivo al abrasivo u otra combinación posible. Es por ello que resulta sumamente importante para los pares de fricción la determinación exacta del tipo de desgaste predominante o de la combinación estos mecanismos.

3.6 - FACTORES QUE DEFINEN EL DESGASTEEl proceso de desgaste ya sea de un tipo u otro, representa un sistema complejo donde simultáneamente actúan, de forma muy interrelacionadas, varios factores. La práctica ingenieril muestra que la forma natural del desgaste de las piezas depende en gran medida de la forma, características de los materiales, condiciones de explotación y estado de fricción de los pares cinemáticos. Debido a lo complejo del proceso de desgaste hasta el momento no se ha creado una ecuación básica que permita determinar los valores absolutos del desgaste. De forma general la dinámica del desgaste se puede describir de la siguiente forma:

(4.18).

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emiliodonde:

W- Desgaste.

M- Características del material desgastado (propiedades físico - mecánicas, químicas u otras propiedades).

B- Carácter de la interacción de los elementos de fricción (tipo de fricción, tipo de contacto, rugosidad superficial, etc.).

H- Cargas externas( presión, velocidad).

C- Características del medio de trabajo (medio gaseoso y sus propiedades, lubricantes y sus propiedades, temperatura, etc.).

Los factores referidos en la ecuación 3.18 se pueden agrupar en tres grandes grupos: De acción externa, de acción del medio y materiales del par.

La cantidad y calidad de las investigaciones realizadas sobre el fenómeno de desgaste en diferentes elementos de máquinas, sometidos a diferentes condiciones de fricción a permitido establecer que sobre el tipo de desgaste y su intensidad influyen los siguientes factores:

Factores de acción externa

Tipo de fricción. Para cualquiera de los estados de fricción el coeficiente de fricción tiene una marcada influencia sobre la intensidad del desgaste, siendo más marcada para la fricción por deslizamiento y estado de fricción seca. Se plantea que la intensidad del desgaste es directamente proporcional al coeficiente de fricción. La influencia de esta relación no es única debido a que el coeficiente de fricción depende de las propiedades elásticas del material, de la rugosidad superficial, de la presión, y de los parámetros que caracterizan la interacción molecular durante el contacto.

Velocidad de deslizamiento. A pesar de los innumerables trabajos que se reportan, la influencia de la velocidad de deslizamiento sobre el desgaste no ha sido del todo estudiada. La velocidad de deslizamiento determina el tiempo de duración de los enlaces de fricción y por consiguiente la magnitud de la velocidad de deformación de los materiales. Es por ello que sobre la fricción y el desgaste tiene marcada influencia los enlaces de fricción que surgen durante el contacto. La magnitud de la temperatura en la zona de contacto depende de la velocidad de deslizamiento y provoca el calentamiento de las superficies de contacto que variando significativamente sus propiedades mecánicas y friccionantes, así como cambios mecánicos extructurales.

Magnitud y carácter de la carga. La carga (presión) ha sido considerada desde sus inicios por la mayoría de los tribólogos como uno de los factores que afecta la intensidad del desgaste y la fricción, motivo por el cual su efecto ha sido profundamente estudiado. Esto por su puesto no niega lo contradictorio de este aspecto, fundamentado en la diversidad de criterio en cuanto su efecto y debido fundamentalmente a la influencia de las condiciones tomadas en cuenta durante los ensayos (experimentos) y otros factores tales como el estado de las superficies (microrelieve superficial), magnitud de la carga, naturaleza de los materiales del par, tipo de fricción, etc.

Kragelsky I. V., al estudiar el fenómeno de la fatiga superficial y partiendo de la doble naturaleza de la fricción demostró la influencia de la presión sobre la intensidad del desgaste. Si las superficies no están asentadas (superficies nuevas) la intensidad del desgaste es una función no lineal de la presión. El efecto más marcado se tiene para pequeñas áreas de contacto. Para superficies asentadas la relación se convierte en lineal. Así por ejemplo las siguientes expresiones pueden utilizarse para determinar la intensidad del desgaste.

- Para contacto elástico.

(3.19)

- Para el contacto plástico.

(3.20)

donde: Ih - Intensidad lineal del desgaste; r - resistencia a la rotura; C - coeficiente de reducción del metal; E - módulo de elasticidad del material desgastado; n - número de ciclos hasta la rotura; Pn - presión nominal.

Para ambos casos se tiene que la presión es directamente proporcional a la intensidad del desgaste y depende en lo fundamental del estado de las superficies.

La influencia de la presión de contacto sobre la intensidad del desgaste también fue considerada por Fleischer G. quien a partir de la densidad de energía friccional diagnostica el tipo de desgaste predominante.

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(3.21)

En este sentido Ravinowicz, E. a partir del coeficiente de desgaste K, encontró la relación existente entre la presión y la intensidad del desgaste, que al igual que en los casos anteriores resulta directamente proporcional a la intensidad del desgaste.

(3.22)

En uno de sus trabajos Leonov A.A refiere con similar comportamiento la influencia de la presión nominal sobre la intensidad del desgaste, lo cual demuestra a través de la siguiente ecuación.

(3.23)

En este caso l, es el constante de desgaste que según el autor para todo los materiales es igual a l= 1,295.102 mol / m3, M - masa molecular del material, e - elongación, HV - dureza del material y r- peso especifico del material.

Moore D. F. considera que existe una dependencia no lineal entre el desgaste de los elastómeros y la presión a que están sometido.

(3.24)

donde:

c - constante experimental que para diferentes tipos de gomas que contactan con diferentes tipos de contracuerpos oscila en el rango de 0,001- 0,305.

Este autor plantea que el exponente (n) depende tanto de la composición de la mezcla como de la naturaleza del contracuerpo y que sus valores pueden resultar superior a la unidad( n = 0,9 - 5,3).

Dentro del diseño de elementos de máquinas es generalizado el manejo del criterio presión - velocidad (PV) y es tomado en cuenta durante la selección de lo materiales para pares de fricción. Algunos autores consideran a este criterio como un parámetro que mide la capacidad de resistencia al desgaste de los materiales. Como regla general con el aumento del criterio PV la intensidad del desgaste aumenta.

Calidad de las superficies. La influencia de los parámetros de la microgeometría sobre el desgaste es bastante marcada, debido a que el parámetro complejo de rugosidad () varía en un amplio rango 10-3< <1 y su indicador exponencial en los limites de 0.8 a 4, por lo que no considerar la rugosidad puede llevar a considerables errores durante la determinación de la intensidad del desgaste. Las ondulaciones pueden variar la intensidad del desgaste en un rango inferior al de la rugosidad debido a que 10 -3>H0/R0>10-6, y su indicador exponencial menor que uno y solo varía en cuatro veces. Es por ello que es necesario considerar las ondulaciones. Durante el estudio de superficies asentadas la rugosidad inicial no ejerce influencia alguna por lo que se debe considerar la alcanzada en este periodo. En la figura 3.22 se muestra a modo de ejemplo la influencia de la rugosidad de un contracuerpo de acero sobre la intensidad del desgaste de una pieza de textolita.

Fig. 3.22 – Variación de la intensidad del desgaste en el par textolita – acero. 1- Ra=10 m; 2- 0.7m; 3- 0.4m 4- 0.2m.

La influencia significativa de la rugosidad sobre el desgaste es tan solo durante el periodo inicial de trabajo (100 –200 horas), en lo posterior la influencia es de las ondulaciones la cual se evalúa a través del parámetro K, el cual no es más que la relación existente entre el paso de las ondulaciones y su altura: K=S 0/H0. En la figura 3.23 se muestra la influencia del parámetro K sobre la intensidad del desgaste.

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Fig. 3.23 – Dependencia del desgaste con el parámetro de las ondulaciones K.

Como se puede observar se tiene que en la medida que el parámetro de las ondulaciones aumenta disminuye la intensidad del desgaste lo cual está directamente relacionado con el grado de acabado de la superficie del contracuerpo. Es importante señalar que el parámetro K aumenta debido a la disminución de la altura de las ondulaciones, lo cual trae consigo un incremento del radio de curvatura de las ondulaciones y por consiguiente un estado deformacional elástico. Factores de acción del medio

Humedad. La humedad del aire ejerce una marcada influencia sobre la intensidad del desgaste. Lo anterior es de marcado interés en aquellas instalaciones que trabajan al aire libre y sobre todo para los países de alta humedad relativa. Este es un efecto que hasta estos momentos no ha sido ampliamente estudiado.

Los científicos que han evaluado la influencia de la humedad relativa sobre la intensidad del desgaste de los metales han obtenido resultados contradictorios. Por ejemplo Nield B. J. y Griffin D. G. establecieron que la intensidad del desgaste disminuye con el incremento de la humedad relativa del aire ().

Nailander R. y Dies K. establecieron lo contrario, es decir la intensidad del desgaste aumenta con el incremento de la humedad relativa, además plantearon que para altas presiones la influencia de la humedad sobre el desgaste no es significativa.

Sibel E. y Koblitzch R confirmaron la dependencia del desgaste con la humedad relativa. Fink M. definió que la intensidad del desgaste con la humedad pasa por un mínimo. Los comportamientos obtenidos por los diferentes autores se muestran de manera ilustrativa en la figura 3.24.

Fig. 3.24 – Influencia de la humedad relativa (, %) sobre el desgaste según diferentes autores. a)- Nield B. J. y Griffin D. G; b)- Mailender R. y Dies K.; c)- Fink M.

El motivo de las contradicciones establecidas por los diferentes autores está dada por la diferencia existente en los métodos y materiales empleados durante los experimentos. Nield y Griffin emplearon una instalación experimental con cilindros con ejes perpendiculares con movimiento alternativo (94 ciclos por minutos) a un ángulo de giro de 24 y una carga de 400N. Como materiales tomaron acero laminado y acero soldado. Maileder y Dies realizaron sus experimentos en una máquina del tipo disco – zapata, ensayando el par acero blando – acero al cromo para diferentes cargas y velocidad de deslizamiento de 1m/s. Fink por su parte realizó sus estudios en la máquina de discos establecida para la caracterización tribológica de engranajes.

En este sentido los mayores trabajos son los realizados por Uetz H. Este realizó sus estudios en una máquina de fricción frontal para una carga máxima de 1800 N. A esta instalación experimental se le conectó un aparato que simula diferentes humedades relativas del aire. Como materiales a ensayar se tomó acero blando (HB123-142) y acero AISI1045 (HB210-230) los cuales formaron pares con acero blando AISI1045, acero al cromo templado (HB213-215) y latón. Las condiciones de los ensayos fueron: Velocidad de deslizamiento 0.05m/s y presión nominal de 1MPa.

Los valores medios sobre el efecto de la humedad relativa sobre el desgaste para un recorrido de fricción de 100 m se muestran en la figura 3.25.

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emilio

Fig. 3.25 – Dependencia de la intensidad del desgaste con la humedad relativa para el par acero bajo carbono – acero de bajo carbono para un recorrido de fricción de 100 m, una carga de 1 MPa y velocidad de deslizamiento de 0.05 m/s.

Hasta un 50% de humedad relativa el desgaste incrementa de forma lineal. Por encima de ese valor, el desgaste sigue creciendo pero de forma no lineal. Alrededor del 50% de humedad relativa la superficie de fricción se recubre de una fina capa monomolecular de agua. Resulta característico el hecho de que para humedad relativa del 5% las partículas de desgaste toman una coloración gris – carmelistosa oscura (al parecer Fe2O3). Para humedades relativas entre el 50 y el 90% las partículas de desgaste tienen el aspecto de polvo metálico gris. El mayor efecto de la humedad relativa sobre la intensidad del desgaste resulta en los materiales ferrosos. Así por ejemplo el efecto resulta muy marcado para los aceros de bajo contenido de carbono. Para incrementos de humedad relativa del 5% al 90% el desgaste creció en 150 veces. Para estas mismas condiciones per en el par Acero AISI 1045 – Acero AISI 1045 el desgaste se incremento en 22 veces. En el par Bronce – Bronce el desgaste creció en 3.5 veces y para el latón – latón en 1.6 veces.

Influencia del lubricante sobre el desgaste. Un lubricante está bien definido como una sustancia que se introduce entre dos superficies con movimiento relativo con el propósito de disminuir la fricción y/o el desgaste de estas. Así cualquier sólido o líquido puede ser un lubricante efectivo.

El efecto del lubricante es generalmente el de disminuir el desgaste, pero en ocasiones lejos de disminuirlo lo incrementa. En estas situaciones el lubricante no resulta efectivo y el desgaste es incontrolable. El tipo de desgaste puede ser cambiado pero no disminuirlo o atenuarlo totalmente.

Un lubricante puede reducir la fricción y no el desgaste, o el desgaste y no la fricción. En la práctica industrial la mayoría de los lubricantes convencionales logran las dos cosas. Estas son dos vías a través de las cuales el lubricante puede disminuir el desgaste, directamente o disminuyendo la fricción.

El efecto indirecto de disminución del desgaste es la disminución de la fricción. El efecto de un lubricante sobre la reducción de la fricción se puede explicar a través del número de Sommerfeld, o espesor de película lubricante (l) descrito en el capítulo dos.

La reducción directa del desgaste por un lubricante está dada porque a pesar de que exista lubricación de capa límite este puede introducirse entre las superficies de los sólidos, reduciendo el contacto entre las asperezas y el desgaste. El efecto es marcado en la reducción del desgaste adhesivo, y puede tener un 99% de reducción del coeficiente de desgaste, pero el grado de reducción depende de la efectividad de formación de la película lubricante.

Contrario a esto existen cuatro vías mediante las cuales la aplicación de los lubricantes puede llevar al incremento del desgaste o convertirlo de un tipo a otro. Estas son:

a) Por la oxidación de las capas superficiales durante su interacción. Esta propicia el cambio de desgaste medio a severo

b) Por la autodegradación del lubricante.

c) Por el efecto corrosivo

d) Por la capacidad del lubricante de atrapar y arrastrar partículas abrasivas llegando a formar pastas abrasivas muy dañinas.

Otra de las funciones del lubricante es la reducción de la oxidación. Es probable que la transición de desgaste medio a severo a en dos cuerpo friccionantes tenga lugar cuando la película de óxido (protectora) que surge durante el proceso de desgaste no haya sido adecuadamente reparada. Esto es posible para algunos lubricantes que interfieren en la regeneración de la película de óxido y así propician la transición desgaste medio a severo. En la práctica resulta dudoso que para los lubricantes convencionales esto sea un problema serio.

Presencia de partículas abrasivas en la unión. Las partículas abrasivas que entran en la unión actúan como soportes de carga y el desgaste que por su causa se produce puede depender de la capacidad de estas de introducirse en las superficies de fricción, de fraccionarse en partículas más pequeñas, de deslizarse o rodar en el sentido de las superficies de desgaste y del tipo de deformación que ellas predomine.

Las partículas abrasivas pueden entrar en la zona de trabajo de la unión procedentes del aire, arrastradas por materiales lubricantes u otros fluidos, y por cualquier otra vía.

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García EmilioDe las partículas abrasivas presentes en el aire las de mayor efecto abrasivo resultan las de cuarzo, las cuales alcanzan durezas de 11 a 12 Gpa. Estas partículas presentan un tamaño de 1 a 30 m y pueden estar presentes en el aire por largos periodo de tiempo.

Partículas desgaste. Las partículas de desgaste que se desprenden de la superficie tienen una marcada influencia sobre la intensidad del desgaste. En la mayoría de los casos estas partículas al no poder salir de la zona de contacto actúan como partículas abrasivas libres, en otros casos penetran en la superficie del material más blando acompañadas de un efecto abrasivo sobre la superficies del material más duro.

Estos factores son los fundamentales y definen el tipo de desgaste.

Materiales del par tribológicoLos materiales que se utilizan para la fabricación y recuperación de pares tribológicos deben cumplir determinados requisitos los cuales en determinadas ocasiones excluyen uno de los otros, es por ello que establecer un criterio único resulta extremadamente difícil. La propiedad más importante que deben poseer estos materiales es el aseguramiento del periodo de vida asignado, bajo determinados valores del coeficiente de fricción. Una correcta selección de los materiales destinados a uniones tribológicas no es posible sin el análisis de las cuestiones constructivas( diseño ) y cinemáticas de los elementos que forman la unión, así como sus condiciones de trabajo. Dentro de este grupo de factores aparecen:

Propiedades mecánicas de los materiales (límite de fluencia, límite de rotura, dureza, plasticidad, resistencia a la fatiga). El incremento de los valores absolutos de estas propiedades siempre influye favorablemente sobre la intensidad del desgaste. Mientras mayor sea el limite de resistencia del material mas resistencia al corte o cizallamiento de las microirregularidades de las superficies en contacto. Mientras mayor sea el límite de fatiga del material y por consiguiente el indicador de la curva de fatiga, mayor será el número de ciclos a partir del cual ocurrirá el desprendimiento de las partículas de desgaste.

El modulo de elasticidad del material tiene una marcada influencia sobre la intensidad del desgaste, de hecho para materiales de igual resistencia a la tracción el incremento de este conlleva al incremento de la intensidad del desgaste. El indicador exponencial para el módulo de elasticidad varia en el más amplio diapasón y posee los más altos valores absolutos. El intervalo más amplio intervalo de variación del indicador exponencial del módulo de elasticidad corresponde al contacto de superficies rugosas sin ondulaciones, y los altos valores absolutos para superficies rugosas y ondeadas. Se hace difícil determinar experimentalmente la dependencia entre el módulo de elasticidad y la intensidad, debido a la estrecha relación que existe entre el módulo de elasticidad y las propiedades friccionantes, concretamente con el coeficiente de fricción y de igual modo con las características de resistencia de los materiales (r, y, t).

Propiedades térmicas de los materiales. El calentamiento de las superficies de contacto trae consigo variaciones significativas de sus propiedades mecánicas y friccionantes, así como cambios mecánicos – estructurales. Es por ello que la dependencia del desgaste con la temperatura este es un aspecto que se debe analizar a partir de la dependencia directa de las propiedades de los materiales con la temperatura, es decir límite de rotura (r), indicador de la curva de fatiga (t), coeficiente de fricción (f), módulo de elasticidad (E), etc.

El módulo de elasticidad del material varía muy poco con el incremento de la temperatura. La mayor influencia de los cambios de temperatura resulta sobre las propiedades de resistencia. El coeficiente de fricción en dependencia de la temperatura puede incrementar, disminuir o permanecer estable. Esto se debe a la relación existente entre la componente mecánica y molecular de la fricción y el carácter de su variación.

Influencia de la Composición química. La composición química tiene una marcada influencia sobre el desgaste, y en particular sobre el desgaste adhesivo. La fricción por deslizamiento en su estado seco o pobre lubricado favorece la adherencia entre las superficies en contacto.

La solubilidad mutua determinará el número de uniones probables para formar la unión adhesiva y las características de la unión determinado la magnitud de la fuerza de adherencia. Una indicación de la influencia de estas dos condiciones en pares de metal de deslizamiento se da en tabla 3.3, donde varios metales deslizantes sometidos a diferentes cargas friccionan contra un disco rotatorio de acero AISI 1045, la resistencia al agarramiento es evaluada como una función de la capacidad de carga.

Tabla 3.3 – Resistencia al agarramiento de diferentes metales formado un para con el acero AISI 1045Buena Regular Pobre Muy pobre

Germanio* Carbón* Magnesio Berilio MolibdenoPlata* Cobre* Aluminio Silicona Radio

Cadmio* Selenio* Cobre* Calcio PaladioIndio* Cadmio* Zinc* Titanio Cerio

Estaño* Telurio* Bario Cromo TantalioAntimonio* Tungsteno Hierro Iridio

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García EmilioTalio* Cobalto Platino

Plomo* Níquel Oro*Bismuto* Zirconio Torio y Uranio

Los Metales que tienen la mejor resistencia al agarramiento contra el contra acero son los del subgrupo B que son insoluble tan con el hierro como con sus compuestos intermetálicos. Los metales que muestran una pobre muy pobre resistencia al agarramiento resultaron ser solubles en tanto en hierro como en los de otro grupo que no fuera del subgrupo B (menos el cobre que por los resultados obtenidos resulto ser una excepción).

Interacción con el lubricante. Relacionado con la lubricación de los elementos de máquinas aparecen o se reconocen tres tipos o categorías de desgaste.

Desgaste físico – Desgaste debido al desprendimiento de material o por deformación plástica (sin desprendimiento de material) de diferentes microirregularidades o microsecciones de la superficie producto de la acción de la fuerza de fricción.

En dependencia del mecanismo de variación de la macro y microgeometría de las superficies de desgaste es conveniente diferencial los dos tipos de desgaste físico y en igual medida los del abrasivo.

1. La forma mecánica (desgaste mecánico): Este se produce por el desprendimiento de partículas debido al cizallamiento de las mismas, por la fatiga de las microirregularidades debido a ciclos deformacionales repetitivos, por rupturas o fragilidad de los enlaces de fricción y por deformaciones plásticas de las capas superficiales.

2. La forma adhesiva (molecular, atómico): Desgaste que ocurre producto de la macro y microadhesión de las superficies de fricción, acompañado del cizallamiento y desprendimiento total de partículas y la transferencia de las mismas de una superficie a la otra.

Desgaste químico - Desgaste fundamentado en la formación de finas capas superficiales en las superficies de fricción como resultado de la interacción química de estas con las sustancias tenso activas de los lubricantes o medios gaseosos y la destrucción de estas capas producto de la fuerza de fricción.

Desgaste abrasivo – Desgaste producido por las partículas de desgaste que se desprenden de las superficies de contacto o procedentes del medio circundante, atrapadas por el lubricante y mantenidas en la zona de contacto.

Por el estado de las superficies de fricción el desgaste producido por la acción del lubricante se puede clasificar de dos formas:

1- Microdesgaste: - Las superficies presentan un aspecto similar al de la abrasión (surcos, rayaduras, etc.). Su existencia puede estar dada por varias causas, que explicarlas resultan difícil y requieren de métodos de investigación especiales. Por demás la abrasión de la superficie en el periodo inicial resulta beneficioso e incluso necesario para su asentamiento. Al microdesgaste hay que verlo como un desgaste normal, independientemente de que no conozca o pueda garantizarse lubricación fluida.

2- Macrodesgaste: - Las superficies presentan un grado de deterioro tal que pueden ser percibidos a simple vista. Al igual que en el microdesgaste en las superficies surgen surcos, rayaduras, grietas, etc., provocado por fenómenos abrasivos más severos que el microdesgaste.

En la figura 3.26 se muestra el esquema de clasificación de los tipos de desgaste en dependencia de las propiedades del material lubricante.

Fig. 3.26 – Clasificación del desgaste en función de las propiedades de los materiales lubricantes

Como muchas de las clasificaciones que se hacen sobre diferentes complejos fenómenos naturales en los cuales el desgaste es uno de ellos esta clasificación tiene un carácter formal, debido a que algunos casos pueden estar teniendo lugar más de un tipo de desgaste o uno puede dar lugar al otro. Para semejantes condiciones de fricción es posible la transformación de varios tipos de desgaste. Por su aspecto exterior diferentes tipos de desgaste pueden tener el mismo origen o ser afines y formas o aspectos similares.

3.7 - DIAGNOSTICO DEL DESGASTE

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García EmilioEl diagnóstico o control del desgaste se propone realizar a través de los trabajos realizados por Rabinowics; Fleischer y Kragelski.

Rabinowics.- Ha desarrollado durante años un fuerte trabajo sobre la determinación o interpretación del "coeficiente de desgaste" establecido en 1953 por Archard.

El coeficiente de desgaste significa la probabilidad de la formación de partículas de desgaste en los sistemas

tribológicos; y se determina según la siguiente expresión:

( 3.25)

Como se aprecia el coeficiente de desgaste (k) depende de la dureza del cuerpo (HB); de la intensidad lineal del desgaste y de la presión nominal en la unión.

A través del "k" se puede decidir: si es necesario sustituir uno de los materiales; modificar las condiciones de lubrica -ción o enfriamiento; mejorar las condiciones de explotación o variar el diseño de la unión de rozamiento. El coeficiente de desgaste no es aplicable a la fatiga superficial.

Fleischer - Desarollo el método de cálculo del desgaste para la fricción seca y límite a partir de su teoría energética de la fricción. El método se basa en la cantidad de energía consumida para producir el desgaste de las capas superficiales.

Introduce el concepto de "densidad de energía aparente" (e*) que no es mas que la relación entre el trabajo de fricción y el volumen de material desgastado.

(3.26 )

La expresión (2) haciendo las sustituciones correspondientes se puede expresar como:

(3.27)

En dependencia de la magnitud de e*; Ih y el coeficiente de fricción y la presión nominal, Fleischer establece los diferentes tipos de desgaste que se producen en las uniones tribológicas.

Los rango de valores establecidos para el diagnostico del desgaste por uno u otro indicador son los referidos en el epígrafe anterior para cada uno de los tipos de desgaste.

La relación entre los coeficientes de desgaste por uno u otro autor queda demostrada a través de la intensidad lineal del desgaste, lo que también coincide con los postulados de Kragelsky. Lo anterior da fe de que los mismos resultan una vía cómoda y práctica para diagnosticar el tipo de desgaste que pueda estar predominando en los materiales del par. Una vez más queda demostrado la importancia del indicador lineal del desgaste.

3.8 – MÉTODOS Y FORMAS DE COMBATIR EL DESGASTE Las intersecciones en el contacto entre dos superficies dependen de las características geométricas y físico-mecánicas de las superficies, entre los primeros se incluyen la rugosidad superficial, el ondeado, errores de forma, la dirección de las asperezas y la exactitud dimensional. En los segundos están la microdureza, la extensión y profundidad del endurecimiento de trabajo, etc..

El efecto de la rugosidad se observa fundamentalmente durante el periodo de asentamiento, donde se cambia la forma y tamaño de las asperezas, por ello en el diseño es inteligente asegurar el método de maquinado que dé la geometría superficial mas parecida a la que se obtendrá después del asentamiento. Esto tiene como resultado que se reduce este periodo y se alarga la vida útil.

El ondeado influye grandemente en el desgaste de la superficie que se obtiene con procesos como el escrepado y el rodillado vibratorio, lo que da lugar a la rotación del lubricante, lo cual es beneficioso.

La influencia de los errores de forma, dependen tanto de su magnitud como de sus características de forma es decir que no solo importan las desviaciones máximas de cada parámetro sino la forma real de la superficie de contacto, teniendo en cuenta la posición relativa de los errores de cada superficie al formarse el par.

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García EmilioLa microdureza ejerce una gran influencia en la vida de las piezas sometidas al desgaste, el aumento de la microdureza con tratamientos preliminares, reduce la deformación de la superficie y su desgaste, provocados por la fricción y la difusión de las capas superficiales, al interactuar molecular y mecánicamente. También inhibe las deformaciones plásticas de las superficies que provocan el agarrotamiento o la soldadura en frío, que son los tipos mas intensivos de desgaste, mientras mas suave sea el acero más marcada será la influencia del proceso de endurecimiento a que se someta, en el aumento de su vida.

Durante el periodo de asentamiento se obtiene no solo la rugosidad optima, sino también la microdureza optima. El proceso de endurecimiento preliminar tiene, sin embargo, su limite. Cuando es excesivo puede dar lugar al incremento del desgaste por el descascaramiento de la superficie del metal, lo cual implica que el proceso debe ser controlado para evitar llegar a esos limites.

A continuación analizaremos, la influencia del tipo de maquinado y sus parámetros sobre el incremento de la resistencia al desgaste.

Método del maquinadoPara cualquier método de maquinado, mientras mejor sea el acabado superficial, mayor será el área de contacto durante y resultante. La altura de las irregularidades en la dirección longitudinal, puede ser igual o aun mayor que la altura de la dirección transversal. Esta última es menos afectada por las vibraciones (de 50 a 100%, contra 200 a 270%).

Tabla 3.4 - Efecto del método de maquinado en las propiedades de las capas superficiales

Método de maquinadoEndurecimiento por deformación (%) H

Profundidad del endurecimiento (m)

Torneado (normal y alta velocidad)Torneado finoFresado (fresa de refrenadar )Fresado (fresa cilíndrica )Taladrado y biseladoPulido Fresado y perfilado de engranesBrochadoCepillado de engranajes Rectificado circularAcero no endurecidoAcero bajo carbonoAcero endurecidoRectificado plano

120-150140-180140-160120-140160-170

-160-200150-200

--

140-160160-200125-150

150

30-5020-6040-8040-80

180-200150-200120-250

20-75100

-30-6030-6020-4016-35

Las condiciones de corte durante el maquinado, ejerce influencias, no solo en las características geométricas de la pieza (acabado superficial, errores de forma , etcétera) , sino también en las propiedades físico mecánicas de las superficies maquinadas y en las propiedades de servicio de las piezas.

A continuación veremos como influyen algunos parámetros de corte.

Velocidad de corteLa rugosidad puede aumentarse al aumentar la velocidad de corte, la profundidad del endurecimiento por deformación aumenta (hasta varios limites) de 200-600 m/min., sin embargo, ocurre el proceso inverso. En aceros aleados y de bala ductibilidad se crean tensiones residuales de compresión, de 400-600 m/min. y para aceros grado 20 y 45 a 500-800 m/min. con mayor velocidad y una reducción de la rugosidad a los valores óptimos se aumentan la resistencia al desgaste y la corrosión. Al aumentar el grado de endurecimiento, su profundidad y ser mayores los esfuerzos residuales , se aumenta la resistencia a la fatiga.

Velocidad de avanceLa rugosidad también aumenta en el avance. A su vez , los esfuerzos residuales de compresión y la profundidad del endurecimiento también crecen. Todo esto da una disminución de la resistencia al desgaste por el aumento de la rugosidad y un aumento de la resistencia de la fatiga.

Profundidad de corte.En máquinas de acabado la reduccion de la profundidad de corte a 0.1-0.2 mm en superficies previamente endurecidas mejora el acabado superficial. Esto no trae ninguna variación en las propiedades físico-químicas de las superficies, ni una marcada influencia en las condiciones de servicio

Propiedades mecánicas del material de la pieza El aumento de la dureza reduce la rugosidad superficial. Se nota mucho mas este efecto en en operaciones de baja velocidad (brochado) que en operaciones rápidas , como el torneado y el fresado. plásticas disminuye con la dureza.

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García EmilioPara aceros nuevos se aumentan(en iguales condiciones). La profundidad del endurecimiento por deformación y la magnitud de los esfuerzos residuales de compresión. Mientras mayor sea el acabado superficial, mayores los esfuerzos residuales y mayores la dureza y la resistencia del material, mayor será la resistencia a la fatiga.

Material de la herramienta de corte La afinidad física entre los materiales de la herramienta y la pieza causan adhesión entre éstos y como resultado un peor acabado superficial. La rugosidad se reduce con la utilización de herramientas calzadas de cerámica y carburo.

Estructura del material de la pieza Para aceros de bajo carbono, de grano fino, las bajas velocidades de corte, reducen la rugosidad superficial. El aumento de la velocidad trae consigo cambios de la estructura de grano grueso o de grano fino, disminuyendo la rugosidad, también en este caso, para aceros de mucho carbono, es mejor la estructura de perlita laminar y para acero de alto carbono (excepto el WX-15) es optima la estructura de perlita modular o laminar fina. La reducción del tamaño del grano mejora las condiciones de servicio.

Tratamiento superficial por deformación plástica En general todos les métodos de trabajo de superficies en frío, mejoran la resistencia al desgaste de las piezas, debido al incremento de la dureza y a patrones o formas geometricas especiales que dejan en las superficies (en que se pueden) durante el trabajo de la pieza, servir de receptáculo de lubricantes, asegurando su presencia en las zonas de contacto.

Bruñido por diamantes Se usa para aceros, metales no ferrosos y aleaciones, en superficies sin cambios de forma considerable en la dirección transversal y sin variaciones de dureza por encima de HRC 45.

Por la fragilidad del diamante y la dificultad de garantizas una calidad superficial adecuada.

Bruñido por bolas o rodillos Se usa para superficies cilíndricas, ranuras, filos, etcétera, los cambios dimensionales y la precisión dependen de varios factores : configuración de la pieza, condiciones del proceso y precisión del proceso que la antecede, sobretodo en piezas rígidas.

Bruñido por escariador Con poca interferencia la deformación plástica no afecta al espesor total de la pieza, aumenta el acabado superficial y reduce los errores en forma de agujeros en un 30-50%. Se trabaja con altas interferencias los hijos y rosquillas planos y de poco espesor, actuando la deformación plástica en toda la pieza.

Bruñido vibratoriocon este proceso se obtienen diferentes patrones superficiales que producen microrrelieves, los que sirven para la retención de lubricantes. Las asperezas obtenidas tienen grandes radios y prácticamente igual altura en las direcciones longitudinal y transversal.

Tratamiento térmico de endurecimiento superficial.Estos tratamientos se usan para lograr superficies duras y resistentes en partes especificas de piezas de acero medio y alto carbono y aceros perlíticos (todos de un 0.6% de C como mínimo), así como también de hierro fundido gris, maleable y de alta resistencia. Se percibe como profundidad mínima del tratamiento 1.5- 2 mm. Entre los procesos están:

Endurecimiento por llamaSe usa para partes y piezas cilíndricas o planas, de acero, comúnmente engranajes fundidos, sinfines, muñones de cigüeñales y otros. Sus ventajas son la sencillez del proceso y los equipos, distorsiones mínimas, ausencia de oxidación y la obtención de una capa cuya dureza va cambiando gradualmente con la profundidad.

Endurecimiento por inducción Se logra por el paso de una corriente eléctrica sin contacto entre dos superficies (una de ellas la tratada), lo cual genera superficies limpias, con una pequeña capa de óxido, que no disminuye la calidad. Existen dos métodos: el primero de estos una el calentamiento total del área que se va a endurecer. Se usa para piezas de forma de disco y para endurecimientos locales (árboles lisos, cigüeñales, árboles de levas, árboles estriados, engranajes, etcétera).

El segundo método calienta la superficie por partes , se usa para rodillos de laminado en frío, muñones grandes de árboles, armazones de máquinas herramientas, etcétera. Se logra que tanto las superficies exteriores como las interiores pueden ser tratadas, es posible obtener capas desde centésimas de milímetros hasta 10mm y más, con estructura de grano fino y sin peligro de sobrecalentamiento.

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García EmilioRecubrimientos superficialesDurante la asignación del tipo de recubrimiento a emplear y su tecnología de obtención es necesario tomar en cuenta sus posibilidades constructivas relacionadas con su forma, dimensiones, las características de las superficies de fricción y la cinemática del sistema tribológico en su conjunto.

Desde el punto de vista tecnológico resulta una tendencia la determinación de la tecnología de obtención del recubrimiento que garantice los adecuados parámetros de calidad superficial.

Las cuestiones analizadas hasta el momento resultan una efectiva dirección para regular la capacidad de trabajo de los elementos de los sistemas triblógicos. Esto resulta importante para la solución de los problemas prácticos ingenieriles relacionados con la durabilidad y tecnologías de fabricación y recuperación de piezas de repuesto (Fig. 3.27).

Fig. 3.27 – Capacidad de trabajo y durabilidad de los sistemas tribológicos

En la figura 3.35 la línea 1 representa la obtención de los requisitos exigidos para el incremento de la capacidad de trabajo de las capas superficiales por medio de los adelantos tecnológicos, constructivos, perfeccionamiento de los sistemas de explotación, etc. La línea 2 representa la obtimización de los parámetros de calidad de los recubrimientos superficiales. La 3 representa el pronostico de la durabilidad del recubrimiento y la 4 el control de la pérdida de la capacidad de trabajo de las capas de recubrimiento.

El desarrollo de nuevas y modernas instalaciones para el deposito o aplicación de diferentes capas de recubrimiento ya sea por métodos físicos o electroquímicos resulta una vía efectiva para el incremento de la fiabilidad y durabilidad piezas y máquinas.

En la solución de los problemas relacionados con la fiabilidad de las máquinas una relación inversa no menos importante entre la capacidad de trabajo y la calidad de las superficies (Linea 2 fig.3.35). Esta refleja de manera segura la posibilidad de la optimización de la estructura y propiedades de la capa de recubrimiento, así como del establecimiento de las exigencias tecnológicas para la aplicación y obtención de recubrimientos de elevada resistencia.

La evaluación de la capacidad de trabajo y de los parámetros de calidad de las capas de recubrimiento mediante la utilización de modelos físicos y matemáticos, también da la posibilidad de considerar cualitativamente la influencia de los factores tecnológicos y de explotación.

El pronóstico de la capacidad de trabajo puede realizase por diferentes métodos, sin embargo, los más progresivos son los basados en los modelos físicos y en los cualitativos de diagnóstico.

El pronóstico de la durabilidad a partir de modelos físicos y datos de diagnóstico (línea 3 Fig. 3.27) es solo posible sobre bases objetivas de las regularidades físicas que describen los procesos de un sistema tribológico en específico.

En la tabla 3.5se muestran un conjunto de factores que caracterizan las capas de elevada resistencia, y los diferentes métodos de obtención de las mismas.

Tabla 3.5 – Conjunto de características de capas de elevada resistencia al desgaste.Características fundamentales

Parámetros fundamentales Métodos de variación de los parámetros

Geométricas Ondeado, RugosidadEndurecimiento superficial y recubrimientos, métodos electrofísicos

MecánicasDureza, límites de rotura, fatiga, fluenciay proporcionalidad

Tratamientos térmicos y termoquímicos , endurecimientos, y diferentes métodos físicos de endurecimientos

FísicasTensiones residuales, microestructurassubsuperficiales

Tratamientos térmicos y mecánico - térmicos,Métodos físicos de deposición

Químicas Grado de aleación Diferentes métodos de aleación superficial

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emilio

EstructuralesTipo, densidad, geometría y topografía de las fases.

Recubrimientos de conjunto con métodos electrofísicos de endurecimiento, tratamiento termoquímicos.

Los parámetros de calidad de las capas superficiales esta determinados por el tipo, y características del proceso tecnológico elaboración final. A cada método de elaboración final, ya sea mecánico, térmico, físico o cualquier otro le corresponde un determinado diapasón de variación de los parámetros que caracterizan la calidad superficial. El estado físico químico de las capas superficiales de las piezas resulta predominante en la determinación de su durabilidad.

La utilización de los referidos parámetros, en calidad de indicadores para la clasificación de los métodos tecnológicos de obtención de capas resistentes al desgaste resulta una variante de gran perspectiva.

Cada grupo de procesos tecnológicos de elaboración posee sus propias características cuantitativas y cualitativas. Desde el punto de vista de durabilidad los fundamentales parámetros de las capas de elevada resistencia al desgaste son sus características (propiedades) mecánicas, así como de las macro y microestructuras de las capas subsuperficiales de los materiales. El efecto de cada uno de los métodos de endurecimiento superficial sobre los parámetros de calidad es totalmente diferente.

La mejor combinación de los parámetros de calidad superficial le corresponden a aquel método de elaboración que como resultado del procedimiento físico o químico de deposición de los elementos necesarios y del tratamiento térmico final, garantice la estructura y propiedades físico - mecánicas optimas.

Los métodos de endurecimiento superficial en dependencia de su nivel de influencia sobre las propiedades de resistencia y plasticidad de las capas superficiales se dividen en tres grupos fundamentales:

Los que incrementa resistencia y plasticidad. A este grupo pertenecen los métodos termo – químicos y físico - mecánicos de deposición por medio de la formación de carburos (carburación).

Los que incrementan resistencia y disminuyen plasticidad. Dentro de este grupo están los métodos de obtención de capas duras mediante la deposición de elementos diferentes a los carburos.

Los que disminuyen resistencia e incrementan plasticidad. En este grupo aparecen aquellos métodos de endurecimiento mediante los cuales se logran capas no tensionadas.

Los parámetros de resistencia superficial y los mecanismos de desgaste predominantes definen de manera general la categoría a la que pertenece el sistema tribológico, y se le denominan indicadores de durabilidad. De este modo se tiene que los indicadores de durabilidad no son más que las características internas de cualquier sistema tribológico y que varían en dependencia de su estructura y funciones específicas. Un mismo indicador de durabilidad puede variar considerablemente si se cambia el proceso tecnológico de obtención del recubrimiento.

Los indicadores de durabilidad a considerar durante la fricción por deslizamiento y en dependencia de su interrelación con los parámetros de calidad pueden ser resumidos en dos grupos fundamentales:

Grupo 1 – Grupo factores definidos por la acción directa de las capas superficiales en su proceso destrucción (rugosidad, procesos deformacionales) y por parámetros de calidad tales como; dureza y resistencia del material. Una efectiva calidad de estos indicador se logra mediante endurecimientos superficiales, aleaciones especiales, proyección de polvos metálicos, recubrimientos por soldadura y tratamientos termo – químicos.

Grupo 2 – Grupo definido por la destrucción de la capa superficial debido a la fatiga superficial, por el tipo de estructura, propiedades mecánicas, y por la magnitud y carácter de las tensiones internas en la capa superficial. Para el mejoramiento de estos síntomas se recomienda: endurecimiento superficial, temple superficial, tratamientos termo – químicos, y aleaciones especiales por métodos físicos y químicos.

El principio general bajo el cual se logra el incremento de los parámetros de calidad del grupo 2 se basa en; crear un único esquema de elaboración final que garantice o desarrolle estructuras que incrementen la densidad (empaquetamiento) y heterogeneidad de las dislocaciones con una distribución específica y mínimos desplazamientos. Este tipo de estructura subsuperficial predefine la combinación optima de resistencia y plasticidad.

Considerando el conjunto de exigencias tribológica de las finas capas superficiales: aseguramiento de alta resistencia, dureza y resistencia a la oxidación, porosidad permisible, resistencia al agarramiento con respecto a los materiales fundamentales, baja tendencia a la adhesión y en primer lugar es necesario emplear métodos de endurecimiento superficial que permitan obtener recubrimiento de elevada resitencia.

La clasificación de los métodos de deposición de capas tribológicas de elevada resistencia al desgaste, fundamentados en procesos físicos, físico – térmicos y químicos se muestra en la tabla 3.6.

Tabla 3.6 – Métodos de obtención de recubrimientos de elevada resistencia.Tipo de recubrimiento Método de deposición del recubrimiento

Térmico – Químico 1- Elementos de aleación de forma individual: C, N, B, Cr, Si2- Elementos de aleación añadidos de forma simultánea para la obtención de

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emiliomicroconstituyentes sobre la base de : C, N, B, Cr, Si.

Proyección térmica 1- Proyección por plasma2- Proyección por detonación

Físicos (PVD) Deposición por vapores altamente ionizados (Reactivos, activos, con condensación).

Químicos (CVD) 1- Precipitación de iones a partir de gases2- Precipitación de iones a partir de gases mediante la activación del plasma

Electrofísicos1- Aleación por chispa eléctrica (detonación)2- Aleación electromagnética 3- Recubrimiento galvánico

El método difusivo para el mejoramiento de las superficies es el que mayor aplicación y generalización a encontrado en la solución de los problemas tribotécnicos.

De los métodos termo – químicos los más efectivos, e incluso para condiciones severas de fricción son: Nitruración, Borado, Cromado, y el conjunto de recubrimientos que sobre la base de estos se obtienen. La ventaja más importante de este método es la posibilidad de optimizar la formación y composición de la fase del recubrimiento y la obtención de zonas difusivas profundas. La desventaja de los procesos difusivos de deposición de capas es la limitada posibilidad de incrementar la capacidad de trabajo de las piezas debido a los pequeños espesores del recubrimiento y las altas temperaturas del proceso. Las capas obtenidas por difusión incrementan la resistencia al desgaste en dos – tres veces y dan durezas en el orden de los 12 – 18 GPa .

En los últimos años los métodos de recubrimiento por proyección térmica, físicos, químicos, y electroquímicos también han alcanzado un gran desarrollo y una amplia aplicación.

Los métodos de recubrimiento de proyección térmica por plasma y detonación permiten de manera sencilla depositar capas de cualquier material de aporte (Carburos, Nitruros, óxidos, etc.) tanto sobre superficies planas como cilíndricas. La gran desventaja de los recubrimientos por plasma es su porosidad, su baja resistencia a la adhesión con el metal base y la ausencia de zonas difusivas. Además el proceso de deposición por plasma tiene una productividad muy baja, está acompañado de considerable nivel de ruido y fuertes rayos ultravioletas.

El recubrimiento por detonación se basa en la utilización de la energía de descomposición de las mezclas de gases y presentan mejores propiedades físico mecánicas y de explotación que los obtenidos por plasma. Durante la obtención de recubrimientos por detonación la temperatura del metal base no sobrepasa los 200 ºC, es por ello que este prácticamente no se deforma ni sufre cambios físicos y estructurales. La desventaja de este método es l alto costo de su tecnología y los elevados niveles de ruidos del proceso.

De los métodos de deposición por vapores físicos (PVD) el más empleado es el de deposición por vapores altamente ionizados (Reactivos) al vacío, el cual garantiza un incremento de la resistencia al desgaste en más de tres veces. La ventaja de este método es que la excelente resistencia a la adhesión del recubrimiento al metal base, así como el bajo calentamiento del metal base.

La deposición de capas por el método de deposición por vapores químicos (CVD) garantiza la obtención de finas capas superficiales de elevada dureza y densidad (empaquetamiento). La desventaja fundamental de este método es su alta peligrosidad debido a las características de las mezclas de gases empleadas y su alta temperatura de calentamiento (1000 a 1200ºC). Relacionado con esto se tiene que estos métodos solo se emplean para la deposición de recubrimientos en aleaciones termoresistentes.

De los métodos electrofísicos – químicos de recubrimiento superficial el más efectivo resulta el de deposición de aleaciones por chispa, debido a que garantizan un incremento de la resistencia al desgaste de 2 a 4 veces. Otra de las ventajas de este método es la posibilidad de variar la composición y la estructura de la capa del recubrimiento, así como de obtener capas de considerables espesores, su universalidad, y sencillez de manipulación del equipamiento. Su desventaja radica en la baja frecuencia de formación del recubrimiento y su baja productividad.

Para el caso de elementos de fricción que trabajan en medios corrosivos resulta perspectivo los métodos tecnológicos fundamentados en los procesos de deposición galvánica y que garantizan la obtención de una capa dispersa (de composición).

Recubrimientos obtenidos por métodos termo – químicos.Una amplia aplicación ha encontrado el endurecimiento de las capas superficiales de las piezas, a partir de la utilización de aleaciones bases, baratas y no deficitarias con un posterior tratamiento termo – químico de la superficie. La ventaja fundamental del método de tratamiento termo – químico es la posibilidad de variar de manera efectiva las propiedades de la capa superficial, variando su composición química, y desarrollando la mejor combinación de propiedades tanto en la capa superficial como en el corazón de la pieza.

Los tratamientos termo – químicos permiten variar las propiedades desde la superficie hacia el corazón de la pieza. Lo anterior se logra a través de la deposición por difusión de una capa superficial de cualquier material que se encuentre en estado atómico y capas de ser soluble en el material base. El incremento de la resistencia al desgaste mediante este método es en gran medida debido al incremento de la dureza de la capa superficial. El surgimiento en la capa de un considerable nivel de las tensiones residuales a compresión posibilita incrementar la resistencia a la

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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emiliofatiga. Varios de los métodos termo – químicos permiten incrementar la resistencia a la corrosión tanto para temperaturas normales, como altas.

En la práctica se emplean con éxitos diferentes métodos difusivos de deposición de capas de levada resistencia al desgaste entre los cuales se encuentran: Cementación, Nitruración, Carburo- nitruración, Borado, Cromado, Recubrimiento con Silicio y otros métodos de deposición de capas de dos o más componentes.

En la tabla 3.7 se muestra varias recomendaciones generales para la aplicación de capas superficiales antifricción y de elevada resistencia al desgaste.

Tabla 3.7 – Recomendaciones de campo de aplicación de capas de recubrimientos a base de Carbono y Nitrógeno.

Método de deposición de la capa superficial

Espesor optimo de la capa de la zona de

difusión, m

Microdureza. H 10 -3 ,

MPa.Campo de aplicación del recubrimiento

1. Cementación

500

de 500 a 1000

de 1000 a 1500

más de 1500

7.36

7.36

7.36

7.36

Efectiva utilización en aceros de bajo contenido de carbono, en los sistemas C-Mn;C-Mo; Ni-Cr-Mo; Ni-MoEspesores no muy grandes: Para capas de intenso desgaste y bajas cargas (bujes, ruedas dentadas pequeñas)Espesores medios: Para desgaste intenso bajo medianas y altas cargas (válvulas, bujes, ruedas dentadas )Espesores altos: Para alto nivel de desgaste(ruedas y transmisiones dentadas)Espesores super altos: Para máxima resistencia al desgaste e impacto (levas, ejes)

2. Nitruración de 75 a 500 más de 9.0

Efectivo para cualquier tipo de acero, que contenga: Al; Cr; Mo; V; W y para aceros austeníticos resistentes a la corrosión (para válvulas, ejes y otros elementos donde exista fricción por deslizamiento y al mismo tiempo con cilindrado y medios corrosivos).

3. Cianuración hasta 750 8.0 – 10.0

Efectivo para aceros de bajo y medio contenido de carbono en sistemas con Cr; Cr- Mo; Ni – Mo; Ni – Cr – Mo, generalmente para mecanismos de trinquete, ruedas dentadas pequeñas de cilindros hidráulicos.

4. Carburo – Nitriración hasta 500 hasta 9.0

Efectivo para aceros de bajo y medio contenido de carbono con los sistemas C – Mn; Cr; Cr – Mo; Cr-Mo-V. Para incrementar la resistencia al desgaste, a la fatiga, resistencia a la corrosión de todos los aceros, excepto los resistentes a la corrosión. Se emplean para sistemas de palancas, ruedas dentadas, husillos, pistones, bombas, etc.

5. Método de inducción superficial 750 - 3200

de 3.7 – 6.3(en el corazón

2.4)

Se puede emplear en aceros de medio contenido de carbono. Da elevada dureza superficial sin influencia en el corazón. Se emplea en ruedas dentadas, arboles de levas, en los elementos de fijación de los rodamientos

6. TratamientoSuperficial por incidencia de gases

750 - 3200de 7.3 y más

(en el corazón 2.4)

Se puede emplear en aceros de medio contenido de carbono. Da dureza superficial media. En ocasiones se emplea en ruedas dentadas, dientes de las excavadoras, sistemas de rodaje y guías de las máquinas herramientas.

El método de deposición de capas de elevada resistencia al desgaste sobre la base del aporte de carbono y nitrógeno – cementación, nitruración, carburo – nitruración, y cianuración están unidos por principios físicos generales de formación de las capas resistentes al desgaste, sobre la base de la capacidad penetración del carbono y el nitrógeno en la superficie del acero.

Ha de señalarse que estos tipos de recubrimientos no presentan la misma la capacidad de trabajo de y esta depende de las condiciones de explotación a que esté sometida la superficie de fricción.

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