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1. Antecedentes y justificacin del problema
1.1 Realidad Problemtica
En el presente estudio se busca conocer como incrementar la resistencia al desgaste
superficial ocasionado por la friccin o rozamiento de las pastillas en los discos de frenos
mediante la fundicin gris perltica que es de gran resistencia a la friccin. Debido a sus
propiedades mecnicas, se usa en piezas de motores, maquinaria, tubos, camisas de cilindros,
pistones de motores de explosin, zapatas de freno, piezas delgadas de alta resistencia, lingoteras,
ruedas, etc. En la actualidad se estn desarrollando discos de freno en aluminio con una base de
carburo de silicio, ya que su menor peso los hacen muy atractivos, pero la mala disipacin del
calor que tienen los hacen inviables de momento, ya que necesitan un sobredimensionamiento
importante que hacen que pierdan las ventaas del reducido peso.
El funcionamiento de los discos de freno est relacionado con factores que van desde el
proceso de fundicin, tipo de material hasta la aparicin de defectos en el proceso de fundicin.
!os factores ambientales tambi"n son determinantes, as podemos identificar elementos
como# la operacin y las condiciones de los discos de freno, otro elemento identificado es el
ambiente donde el sobrecalentamiento de las zonas geogrficas pueden influir en el
funcionamiento de los discos de freno.
Este problema se ve relacionado con el entorno y los elementos que coexisten en ella al
poder ser operados en los automviles controlando su estado ya que debido a la alta temperatura
de trabao por el rozamiento de las pastillas para conseguir el frenado del vehculo, se deterioran
y causan un desgaste superficial.
$e sabe que los discos de freno en su funcionamiento estn en rozamiento con las pastillas
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el cual al friccionarse hace que se desgasten, interrelacionando con la manera en que opera esta
ya que trabaa en un ambiente ventilado a altas temperaturas.
$e ha constatado que el problema es el alto desgaste debido a la friccin del contacto con
las pastillas y el sobrecalentamiento a altas temperaturas que pueden ocasionar la disminucin del
grosor del disco llegndose a percibir deficiencias como fisuras, roturas, rayados o curvaturas.
1.2 Antecedentes
%aspers.&'()*+ citado por erez y col.& *-''+, encontr que el uso de $i% como
inoculante ventaas como, el incremento de la temperatura de liquidus y de la temperatura
eut"ctica, la disminucin de la velocidad de solidificacin, y la reduccin del sobreenfriamiento,
el aumento de la cantidad de celdas eut"cticas, el incremento del contenido del grafito /, con un
menor decaimiento de la efectividad del inoculante. &p.0+1 2lau y otros &*--)+ citado por 3arca
y col. &*-'4+, encontraron que para implementar un nuevo material en la fabricacin de discos de
frenos, el coeficiente de friccin debe ser relativamente alto, pero lo ms importante es que sea
estable, independientemente de la temperatura, la humedad, el tiempo de uso, el grado de
desgaste, la corrosin, la presencia de polvo y chorros de agua desde la carretera, etc. /dems de
estas propiedades, se deben tener en cuenta los requisitos para una larga vida y un alto confort, es
decir, ausencia de vibracin, ruido y chirrido. &p.44+ En el a5o
*-'6 !pez y otros determinaron la influencia de las variables tiempo y temperatura en la
microestructura, la dureza y la porosidad final de un hierro fundido hipoeut"ctico &7e8*.9:t;%8
'.4:t;$i+ tixoconformado, para obtener 0- y 4-; de fase slida en estado semislido1. &pp *'(8
**9+
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erez y col.&*-''+. concluyeron que#
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una influencia sustancial sobre la conductividad de las fundiciones. En base a ello, la medida de
la conductividad el"ctrica de muestras fundiciones podra emplearse? para determinar el
contenido de silicio en fundiciones no aleadas o con contenidos muy baos de aleantes,
especialmente cromo. ara determinar el contenido de cromo en series de fundiciones en las que
la tasa de silicio se mantiene constante. &p. >+
1.3 Justificacin
2. Problema
@En qu" medida influye el $i sobre la dureza en los discos de freno de fundicin gris
perlitica para el sistema de frenado de un automvilA
3. Objetivos
3.1 Objetivo eneral
Determinar la dureza de un disco de freno de fundicin gris por influencia del $i en un
automvil mediante pruebas experimentales para meorar la calidad y disminuir el desgaste.
3.2 Objetivos espec!ficos
Determinar la concentracin ideal de $i para obtener una meor dureza para disminuir el
desgaste superficial en los discos de freno de fundicin gris perlitica.
1. "undicion ris
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1.1 #lasificacion de las fundiciones rises
'.'.' 7undicion gris perlitica
'.'.* 7undicion gris ferritica
'.'.6 7undicion gris ferrito B perlitica
1.2 Principales constituyentes microscpicos
'.*.' grafito
'.*.'.' formacion del grafito
'.*.'.* forma y tama5o del grafito
1.3 curva de enfriamiento
1.$ diarama de %ierro & #arbono
'.0.' Diagrama de hierro B carbono estable
'.0.* solidificacion de la fundicin gris &proceso+
'.0.6 elementos que influyen en la fundicin gris
1.' discos de freno
2. "unciones y propiedades del disco de freno
2.1 sistema de frenos de automviles
*.'.' sistema de frenos de servicio
*.'.* tipos de freno
*.'.*.' frenos de disco
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fundiciones son un material compuesto de grafito, y de otro material matriz que
frecuentemente est compuesto por un intermertlico cermico &cementita+, y otro material
&ferrita+ que es metlico.
colabilidad es meor en cuanto mayor sea el contenido de carbono por ser peque5o el
intervalo de temperaturas entre lquidus y slidus. /lgunas de ellas, las de composicin
eut"ctica, solidifican a temperatura constante.
!as fundiciones grises dan poco rechupe, ' ; de contraccin lineal aproximadamente,
inferior a la de los aceros y fundiciones blancas. !a peque5a contraccin al solidificar se
debe a que su densidad &entre 9,(4 y ),64 gCcm6, menor cuanto ms carbono+ es inferior
a la de las fundiciones blancas &),) gCcm6+ y a la de los aceros &),>) gCcm
6+.
!a caracterstica radical de las fundiciones grises es que no presentan ledeburita. En su
estructura microgrfica aparece grafito, que puede ser de diversos tipos, disperso en una
matriz similar a la de un acero.
El comportamiento mecnico de una fundicin gris resulta parecido al de un acero con
numerosas microfisuras taponadas por grafito. !a cohesin entre el grafito y la matriz
metlica es casi nula. Debido a la gran diferencia entre los coeficientes de dilatacin del
hierro y del grafito, este se despega fcilmente de la matriz.
!o descrito en el prrafo anterior explica varias propiedades de estas fundiciones. or
eemplo# el color gris que presentan las fracturas, la capacidad para amortiguar
vibraciones &mayor cuanto ms grafito+, su maquinabilidad &generalmente buena+, las
moderadas resistencias a traccin y baos alargamientos, la dispersin habitual en valores
de microdureza, etc.
!a presencia de grafito equivale a microentallas, manifiestamente en fundiciones no
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esferoidales. or eso, el alargamiento a la traccin de las fundiciones grises laminares es
peque5o &generalmente menor de -,9 ;+. !a existencia previa de esas microentallas
esclarece tambi"n la d"bil sensibilidad de esas fundiciones a la influencia
complementaria de entallas mecnicas superficiales. or ello, en fundiciones grises
laminares no es preciso evitar con tanto cuidado como en los aceros la presencia de rayas
de mecanizado, ngulos vivos, etc.
!a tenacidad de las fundiciones grises es mayor que la de las fundiciones blancas, pero
por el efecto de entalla debido al grafito laminar, resulta insuficiente. or eso, cuando se
requiere un material tenaz, no debe utilizarse fundicin blanca, ni tampoco fundicin gris
laminar.
uede se5alarse, con carcter general, que la resistencia a la traccin disminuye en las
fundiciones grises laminares al aumentar el contenido de carbono. El grafito disminuye
la seccin real del constituyente matriz, el que aguanta el esfuerzo de traccin. /dems,
el efecto entalla del grafito laminar, disminuye la tenacidad.
3racias a la buena colabilidad de las fundiciones grises es posible moldear piezas de
paredes delgadas, tales como tubos para aletas con radiadores, rodetes para bombas,
anillos para compresores, etc. ara una buena colabilidad, se requiere que el intervalo de
solidificacin sea el menor posible, o lo que es igual, altos valores de carbono
equivalente.
1.1 #lasificacion de las fundiciones rises
!as fundiciones grises se pueden clasificar de varia formas, pero una de las ms
usuales es la clasificacin por la estructura de la matriz#
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1.1.$ "undicion ris perlitica
$u estructura est formada de perlita con inclusiones de grafito &en la figura '.'a, el
grafito se ve en forma de vetas peque5as+. %omo se sabe, la perlita contiene un -,> ; de %,
por consiguiente, esta unidad de carbono se halla en la fundicin perltica gris en estado
ligado &es decir, en forma de cementita+. !a cantidad restante se encuentra en estado libre, o
sea, en forma de grafito.
1.1.' "undicion ris ferritica
En esta fundicin la matriz es ferrita y todo el carbono que hay en la aleacin est en
forma de graffito.
1.1. "undicion ris ferrito & perlitica
!a estructura de esta fundicin est formada por ferrita y perlita e inclusiones de
grafito. En esta fundicin la cantidad de carbono ligado es menor que el -,> ; de %
1.2 Principales constituyentes microscpicos
1.2.1 rafito
El grafito es una forma elemental del carbono. Es blando, untuoso, de color gris oscuro,
con peso especfico *,*4 grCcm6, que es aproximadamente 'C6 del que tiene el acero. $e
presenta en estado libre en algunas clases de fundiciones, eerciendo una influencia muy
importante en sus propiedades y caractersticas.
En las fundiciones grises que son las de mayor aplicacin industrial, se presenta en forma de
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lminas u houelas. !a presencia de grafito en cantidad importante, baa la dureza, la resistencia
y el mdulo de elasticidad en comparacin con los valores que corresponderan a las mismas
microestructuras sin grafito. El grafito adems reduce casi a cero su ductilidad, su tenacidad y su
plasticidad.
En cambio, el grafito meora la resistencia al desgaste y a la corrosin. Disminuye el peligro de
los agarrotamientos por roce de mecanismos y piezas de mquinas y motores, ya que en cierto
modo act=a como lubricante.
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elevadas y superiores a (--F.
En general, el grafito se forma ms fcilmente a temperaturas elevadas que a baas temperaturas,
y en las fundiciones hipereut"cticas se realiza ms fcilmente la formacin de grafito cuando
parte de la aleacin est todava fundida, que cuando toda ella se encuentra en estado slido.
1.2.1.2 forma y tama/o del rafito
!as propiedades de la fundicin gris se ven influidas por la forma y distribucin de las
lminas de grafito. El m"todo estndar de la definicin de la forma del grafito se basa en el
sistema propuesto por la /$
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1.3.2 0l silicio.
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la solidificacin metaestable.
1.3.' 0l fsforo.
El fsforo no tiene casi efecto en la grafitizacin, sin embargo es una impureza =til
en el hierro, puesto que meora la fluidez. !a fluidez que otorga el fsforo al hierro se
debe a la formacin de un eut"ctico de baa temperatura de solidificacin &(4- F%+,
llamado com=nmente esteadita. $e trata de un eut"ctico ternario formado por austenita,
cementita y fosfuro de hierro &7e B 7e6% B 7e6+ a * ;% y a 9,( ;, o eut"ctico
seudobinario &7e B 3rafito B 7e6+. Ie=ne prcticamente todo el fsforo de la
composicin, &' ; B '0,4 ; eut"ctico ternario+ y favorece las segregaciones directas
&elementos carburgenos+. /parece en las untas de las c"lulas y puede llegar a formar
una red continua de esteadita para un contenido en fsforo suficientemente elevado & J
-,6 ;+.
En general, la esteadita se presenta cuando el contenido de fsforo es mayor a -,'4 ;.
/ltos niveles de este elemento pueden promover porosidad por contraccin, mientras
que niveles baos de fsforo incrementan la colabilidad del metal dentro del molde. El
fosfuro eut"ctico incrementa la dureza total y la resistencia al desgaste del hiero colado.
El nivel de fsforo en el hierro gris debe estar aproximadamente en el rango de -,-* a
-,'- ;.
1.3. 0l carbono euivalente.
!os elementos $i y sustituyen una parte del carbono. El carbono equivalente
expresa cuantitativamente esta sustitucin y permite citar una fundicin sobre el
diagrama binario 7e B % para relacionarlo con el eut"ctico binario &%eq K 0,6 ;+.
ermite, por lo tanto, conocer aproximadamente sus temperaturas de inicio y fin de
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solidificacin, evitando recurrir a incmodos diagramas ternarios. /s mismo, las
propiedades de las fundiciones se pueden expresar en funcin del carbono equivalente.
%on un carbono equivalente igual a la del eut"ctico la colabilidad es mxima y la
tendencia de la contraccin es mnima, con el aumento de carbono equivalente la
tendencia al temple y la resistencia mecnica disminuyen. El carbono equivalente es una
nocin cmoda que permite traer de nuevo la metalurgia de las fundiciones sobre
un diagrama binario.
constituyendo una simplificacin no rigurosa de los fenmenos. $in embargo el concepto
no es vlido para contenidos elevados de silicio.
1.$ curva de enfriamiento
1.' diarama de %ierro & #arbono
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verifiquen de acuerdo con el diagrama estable, adems de un alto contenido en el silicio es que
el enfriamiento de las aleaciones se verifique de una forma lenta.
Nunto al clsico diagrama de hierro8carbono metaestable, se se5ala con lnea segmentada un
diagrama estable &7igura '.)+ que nos servir para estudiar las transformaciones que
experimenta las fundiciones grises en los procesos de calentamiento y enfriamiento, y para
conocer las microestructuras que en cada caso se podrn obtener.
1.'.2 solidificacion de la fundicin ris 5proceso6
/ continuacin explicaremos algunos procesos de solidificacin, de manera que
pueda entenderse cmo es este proceso a lo largo de todo el diagrama. En la figura '.) se
muestran las curvas de enfriamiento de una aleacin de composicin binaria &7e 8 %+, que
siguen un enfriamiento estable !a aleacin eut"ctica /' &0,*9 ; %+ empieza a solidificar a
una temperatura constante de ''40 F% &punto'+, a modo de dos fases# grafito &'-- ;%+
austenita del *,-> ;%, solidificando completamente en el punto 'O. or debao del punto
eut"ctico el grafito es formado por precipitacin de carbono desde la austenita eut"ctica y
se acumula en las partculas ya existentes. Este proceso contin=a hasta la temperatura
eutectoide de )6> F% &punto *+ en la que la austenita contiene -,9> ;% y es aqu donde
ocurre la reaccin eutectoide a temperatura constante y la austenita se transforma en ferrita
grafito &punto *O+. !uego contin=a el enfriamiento hasta la temperatura ambiente,
obteniendo de esta manera ferrita y grafito.
Lna aleacin hipoeut"ctica /* empieza a solidificar en el punto 6 de la lnea de lquidus.
!a aleacin lquida solidifica en forma de dendritas de austenita que crecen y se desarrollan
desde el lquido. / la temperatura de ''40 F% termina la solidificacin de la austenita
primaria y el lquido alcanza la composicin eut"ctica &punto 0+, solidificando entonces el
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eut"ctico austenita B grafito &punto 0O+. / medida que contin=a el enfriamiento de la
aleacin ya solidificada, se formarn nuevas cantidades de grafito por precipitacin de
carbono desde la austenita, en tanto que la concentracin de esta se acerca a la composicin
de la eutectoide de -,9> ; de carbono. / la temperatura de )6> F% &punto 4+ comienza la
reaccin eutectoide y la austenita de -,9> ;% se descompone en ferrita y grafito, para
terminar en el punto 4O. El grafito se une con las partculas ya existentes y no se presenta
separado del grafito eut"ctico. !uego contin=a la solidificacin hasta la temperatura
ambiente, obteni"ndose finalmente ferrita y grafito.
Lna aleacin lquida hipereut"ctica estable /6 &con ;% mayor a 0,*9+ empieza a solidificar
en la lnea lquidus &punto 9+ con la precipitacin de cristales de grafito. / este grafito se le
llama grafito primario y en todo momento de su desarrollo hasta el punto ) se encuentra en
estado de suspensin, que por su baa densidad con respecto a la del lquido tiende a flotar
en la superficie. En el punto ) ocurre la reaccin eut"ctica, para terminar en el punto )O. El
grafito eut"ctico se caracteriza del grafito primario por ser ms fino y de menor tama5o.
or debao de la temperatura eut"ctica el grafito sigue formndose por precipitacin de
carbono desde la austenita eut"ctica, y a )6> F% empieza la reaccin eutectoide &punto >+ a
temperatura constante y la austenita se transforma en ferrita grafito, terminando en el
punto >O. osteriormente contin=a el enfriamiento hasta llegar a temperatura ambiente,
obteniendo de esta manera ferrita y grafito.
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"iura 2. 0suema ue muestra las curvas de enfriamiento A17 A27 A3 de la
solidificacin estable de las fundiciones.
2. "unciones y propiedades del disco de freno
2.1 sistema de frenos de automviles
%ada automvil tiene dos sistemas de frenos. Lno se utiliza para reducir la velocidad o
detener el automvil cuando est" en movimiento? este sistema se llama el sistema de frenos de
servicio. El otro sistema se utiliza para mantener a un automvil en un lugar, a este sistema,
cuya finalidad no es detener al vehculo en movimiento, se le llama el sistema de frenos de
estacionamiento.
2.1.1 sistema de frenos de servicio
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!os discos de freno interact=an con las pastillas para frenar el vehculo debido a que el
disco gira unto con las ruedas. Ese rozamiento entre el disco y la pastilla produce la
transformacin de energa cin"tica en energa calorfica que se disipa en el ambiente, provocando
una reduccin de la velocidad.
!os discos de freno no solo deben producir la transformacin de energa sino que adems deben
de conseguir disipar lo ms rpidamente posible a la atmosfera el calor producido, debido a que
las altas temperaturas presentes durante el frenado podran llegar a colapsar el sistema.
Ln punto importante a considerar en los discos, es el material seleccionado para su fabricacin.
!a fundicin de hierro gris de grafito laminar, garantiza una estabilidad de las prestaciones
durante el periodo de vida de los discos
2.2.1 composicion u!mica
or motivos de estabilidad en las prestaciones de los disco de freno, el costo de la
materia prima y de facilidad de fabricacin, la fundicin gris resulta ser el material indicado. El
hierro gris por sus buenas propiedades mecnicas, t"rmicas y tecnolgicas de fabricacin que
presentan, tiene una mayor ventaa sobre otros materiales. $e puede constatar que para cada
tipo de vehculos y de disco se necesitara un tipo de fundicin con caractersticas especiales.
ara modificar las prestaciones de un hierro se interviene en dos aspectos# la composicin
qumica y el tratamiento de inoculacin durante la colada.
!a composicin qumica del material de los discos es una fundicin gris de grafito laminar, que
contiene entre un (*; y un (6; de hierro. /l hierro que contiene otros elementos adems del %,
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$i, Gn, y $, se le denomina hierro aleado. En la figura *.' podemos ver el porcentae de los
diferentes elementos aleantes con elhierro
!os hierros normalmente se alean con los siguientes elementos# %r, Hi, Go, $n, %u, Q,
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exterior de la pista, el disco ventilado permite una mayor disipacin t"rmica que un disco
macizo en el mismo espacio.
El disco ventilado est formado por dos pistas separadas por aletas generalmente rectas en su
interior. Estas aletas garantizan la cohesin del disco permitiendo el paso de aire por su interior.
Debido a estas aletas, el enfriamiento del disco no solo se produce en la superficie exterior del
disco sino que adems se produce su enfriamiento por el interior. Este intercambio de energa
depende de la forma y la orientacin de las aletas. En la 7ig. *.9 se muestra la distribucin de
las aletas rectas sobre el disco de freno.
Lna de las meoras ms significativas encaminada a la reduccin de la temperatura que alcanza
la campana del disco, se consigue mediante una ranura en forma de canal en la zona situada
entre la campana y la pista del disco, lo que antes se ha denominado filtro t"rmico.
3racias a este filtro t"rmico el calor que se transfiere a la llanta es menor, adems se consigue
una reduccin en la deformacin del disco al reducirse la temperatura de la campana y sus
consiguientes tensiones t"rmicas.
2.2.8 0sfueros mecnicos y termicos
*.*.).' Esfuerzo mecnico
%uando el vehculo est en marcha, el disco est sometido bao cierto esfuerzo
mecnico. El efecto centrfugo &7ig. *.)+ debido a la rotacin del disco se crea un esfuerzo de
traccin. /l frenar, en el disco se presentan dos nuevas fuerzas, una fuerza de compresin,
debido a la presin eercida por las pastillas perpendicularmente a la superficie del disco? esta
fuerza crea en el disco un esfuerzo de compresin.
!a fuerza del frenado debido a la friccin la pastilla contra la superficie del disco se traduce en
un esfuerzo de traccin del orden de '-8*- Ga, que hay que comparar con la resistencia a la
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traccin de la fundicin, que equivale a unos *-- Ga. Despu"s de largos periodos de
funcionamiento el disco puede sufrir micro fisuraciones las cuales propiciaran la ruptura del
disco, este tipo de esfuerzo repetido se llama fatiga.
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movimiento y los problemas relacionados con ellos# desgaste, friccin, adhesin y lubricacin.
En la interaccin entre dos superficies aparecen diversos fenmenos cuyo conocimiento es de vital
importancia. Estos tres fenmenos fundamentales que aparecen son#
6.'.' friccin
Efecto que proviene de la existencia de fuerzas tangenciales que aparecen entre dos
superficies slidas en contacto cuando permanecen unidas por la existencia de esfuerzos normales a
las mismas.
6.'.* Desgaste
%onsiste en la desaparicin de material de la superficie de un cuerpo como consecuencia de
la interaccin con otro cuerpo.
6.'.6 /dhesin
%apacidad para generar fuerzas normales entre dos superficies despu"s de que han sido
mantenidas untas. Es decir, la capacidad de mantener dos cuerpos unidos por la generacin anterior
de fuerzas de unin entre ambos.
El obetivo de la tribologa no solo es minorar las desventaas. Dependiendo de la situacin el
obetivo a alcanzar puede ser distinto.
Gnimo desgaste y mnima friccin# rodamientos, engranaes, levas... gracias a la lubricacin y las
capas de recubrimiento.
Gnimo desgaste y mxima friccin# frenos, embragues, neumticos... con materiales resistentes al
desgaste.
Gximo desgaste y mnima friccin# lpices, deposicin de lubricantes slidos mediante
deslizamiento. Gxima friccin y mximo desgaste# borradores.
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ara que nos hagamos una idea de lo importante que son las soluciones a problemas tribolgicos.
or eemplo, en los automviles, en los que existen ms de *--- contactos tribolgicos, las
meoras tribolgicas pueden suponer un ahorro estimado de energa del '>,9 ;. En el campo
energ"tico, se estima que en EE.LL. un ''; de la energa total consumida en cuatro grandes
sectores# transportes, turbo mquinas, generadores de potencia y procesos industriales, pueden ser
ahorrados introduciendo avances tribolgicos. Desde el punto de vista econmico un informe
realizado en /lemania revelaba que las p"rdidas como consecuencia de la friccin y el
desgaste, equivale a un desperdicio energ"tico anual del orden de 6 billones de pesetas.
6.'.' friccion
7riccin es la resistencia al movimiento que existe cuando un obeto slido se mueve
tangencialmente con respecto a la superficie de otro slido con el que est en movimiento. !a
friccin se expresa en t"rminos relativos de fuerza, como el coeficiente entre la fuerza de friccin y la
carga nominal a la superficies de contacto, suele representarse por , que es un coeficiente
adimensional, es decir, carece de unidades ya que las dos fuerzas se miden en las mismas
unidades.
Pay que distinguir entre dos situaciones#
7uerza de friccin esttica# !a necesaria para iniciar el movimiento. $i la fuerza tangencial
aplicada es menor a este valor, no existe movimiento y la fuerza de friccin es igual o mayor a la
tangencial aplicada.
7uerza de friccin cin"tica o dinmica# !a necesaria para mantener el movimiento. De valor menor
a la anterior.
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