fricción, desgaste y lubricación

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Fernndez Velasco Mariana Lujn Quintana Rubn Jos Ramrez Valle Luis Fernando

FRICCINSe define como fuerza de rozamiento o fuerza de friccin, entre dos superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas superficies (fuerza de friccin dinmica) o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento (fuerza de friccin esttica). Se genera debido a las imperfecciones, mayormente microscpicas, entre las superficies en contacto.

Tipos de rozamientoExisten dos tipos de rozamiento o friccin: Friccin esttica. Es la resistencia que se debe superar para poner en movimiento un cuerpo con respecto a otro que se encuentra en contacto. Friccin dinmica. Es la resistencia, de magnitud considerada constante, que se opone al movimiento pero una vez que ste ya comenz. En resumen, lo que diferencia a un roce con el otro, es que el esttico acta cuando los cuerpos estn en reposo relativo en tanto que el dinmico lo hace cuando ya estn en movimiento

Rozamiento de slidosEn el rozamiento entre cuerpos slidos se ha observado que son vlidos de forma aproximada los siguientes hechos empricos: La fuerza de rozamiento tiene direccin paralela a la superficie de apoyo. El coeficiente de rozamiento depende exclusivamente de la naturaleza de los cuerpos en contacto, as como del estado en que se encuentren sus superficies. La fuerza mxima de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal que acta entre las superficies de contacto. Para un mismo par de cuerpos (superficies de contacto), el rozamiento es mayor un instante antes de que comience el movimiento que cuando ya ha comenzado (esttico Vs. cintico).

El rozamiento puede variar en una medida mucho menor debido a otros factores: El coeficiente de rozamiento es prcticamente independiente del rea de las superficies de contacto. El coeficiente de rozamiento cintico es prcticamente independiente de la velocidad relativa entre los mviles. La fuerza de rozamiento puede aumentar ligeramente si los cuerpos llevan mucho tiempo sin moverse uno respecto del otro ya que pueden sufrir atascamiento entre si.

Las leyes del comportamiento de la friccin pueden sintetizarse en los siguientes dos postulados bsicos: 1. La resistencia al deslizamiento tangencial entre dos cuerpos es proporcional a la fuerza normal ejercida entre los mismos. 2. La resistencia al deslizamiento tangencial entre dos cuerpos es independiente de las dimensiones de contacto entre ambos. La segunda ley puede ilustrarse arrastrando un bloque sobre una superficie plana. La fuerza de arrastre ser la misma aunque el bloque descanse sobre la cara ancha o sobre un borde ms angosto.

Estas leyes fueron establecidas primeramente por Leonardo da Vinci al final del siglo XV

Rozamiento con lubricacinUna cuestin de inters prctico es un problema mixto donde pueden aparecer tanto fenmenos de rozamiento entre slidos como entre fluido y slido, dependiendo de la velocidad. Se trata del caso de dos superficies slidas entre las cuales existe una fina capa de fluido. Stribeck demostr que a muy bajas velocidades predomina un rozamiento como el que ocurre entre dos superficies secas, y a velocidades muy altas predomina un rozamiento hidrodinmico. La mnima friccin se alcanza para una velocidad intermedia dependiente de la presin del fluido, su "viscosidad cinemtica".

DESGASTEEl desgaste es conocido desde que el ser humano comenz a utilizar elementos naturales que le servan como utensilios domsticos. Este fenmeno al igual que la corrosin y la fatiga, es una de las formas ms importantes de degradacin de piezas, elementos mecnicos y equipos industriales.

El desgaste puede ser definido como el dao superficial sufrido por los materiales despus de determinadas condiciones de trabajo a los que son sometidos. Este fenmeno se manifiesta por lo general en las superficies de los materiales, llegando a afectar la sub-superficie. El resultado del desgaste, es la prdida de material y la subsiguiente disminucin de las dimensiones y por tanto la prdida de tolerancias.

Mecanismos de desgasteLa interaccin entre las superficies y su grado de limpieza (cuando el acercamiento entre los cuerpos es tal, que no se presenta ningn tipo de impurezas, capas de xido o suciedades) se permite que el rea de contacto sea aumentada, pudindose formar uniones adhesivas ms resistentes. El desgaste adhesivo es ayudado por la presencia de altas presiones localizadas en las asperezas en contacto. Estas asperezas son deformadas plsticamente, permitiendo la formacin de regiones soldadas localizadas. El desgaste adhesivo ocurre como resultado de la destruccin de los enlaces entre las superficies unidas, permitiendo que parte del material arrancado se transfiera a la superficie del otro. As, la superficie que gana material aumenta su rugosidad con el agravante de que cuando el movimiento continua, se genera desgaste abrasivo contra la otra superficie.

Desgaste AbrasivoEs el dao por la accin de partculas slidas presentes en la zona del rozamiento.Se denomina abrasin a la accin mecnica de rozamiento y desgaste que provoca la erosin de un material o tejido. Existen 2 formas bsicas de abrasin.

Abrasin por desgaste de 2 cuerpos. Ocurre cuando las protuberancias duras de una superficie son deslizadas contra otra. Un ejemplo de estos es el pulido de una muestra mediante el uso de lijas.Abrasin por desgaste de 3 cuerpos. Se presenta en sistemas donde partculas tienen la oportunidad de deslizarse o girar entre 2 superficies en contacto, el caso de aceites lubricantes contaminados puede ser un ejemplo de este tipo de abrasin. Los rangos de desgaste de abrasin de tres cuerpos son generalmente mas bajos que en el sistema de abrasin de 2 cuerpos.

a) abrasin de 2 cuerpos

b) abrasin de 3 cuerpos

Desgaste

Oxidativo

Se presenta en superficies metlicas bajo deslizamiento sin lubricacin o poca lubricacin, en presencia de aire u oxgeno. El calor generado por la friccin en contacto deslizante, en presencia de oxgeno provocan la oxidacin acelerada.El desgaste oxidativo tambin se puede presentar bajo sistemas de deslizamiento lubricados, en donde el espesor de la pelcula del lubricante se encuentre por debajo de los valores de la rugosidad de las superficies en contacto.

Desgaste por CorrosinLlamado tambin desgaste qumico, se produce por reacciones qumicas o electromagnticas entre las superficies y el ambiente. Los productos finos de la corrosin en la superficie son las partculas gastadas en esta clase de fenmenos. Cuando se destruye o quita la capa de corrosin por deslizamiento o abrasin, se comienza a formar otra capa, y se repite el proceso de formacin de capa de corrosin. Entre los medios corrosivos estn el agua dulce, el agua de mar, oxigeno, cidos y sustancias qumicas y sulfuro de hidrgeno y el oxigeno de azufre atmosfrico

Desgaste por DifusinViene dado por el incremento de la temperatura, lo que produce una difusin de las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficie de la herramienta. Se presenta entre las temperaturas de 900 y 1200 C. En herramientas de metal duro, cermicas o nitruro de boro, se eleva la movilidad atmica y se produce una disolucin mutua del material de la pieza y el de la herramienta. La actividad de este proceso aumenta con la velocidad de corte. De ah que el desgaste difusivo pueda considerarse como un desgaste qumico que produce variaciones en la capa superficial de la herramienta y de esa forma compromete la resistencia a desgaste de la misma

Desgaste por LudimientoEsencialmente es aquel en el cual hay un movimiento relativo entre dos superficies en contacto con una carga aplicada, donde el dao de la superficie no ocurre por riscado debido a la penetracin de las asperezas o por partculas externas. El desgaste por deslizamiento es uno de los tipos de desgaste que ocurre con mas frecuencia en la industria y por esto es estudiado con gran inters por los investigadores. Una de las razones del gran esfuerzo dedicado al estudio del desgaste por deslizamiento es su complejidad, especialmente en lo que se refiere a los mltiples mecanismos involucrados. En el desgaste por deslizamiento estn presentes mecanismos de adhesin, formacin y crecimiento de grietas sub-superficiales por fatiga y formacin de pelculas superficiales por procesos triboquimicos.

Desgaste por FrettingOcurre entre dos superficies en las cuales experimentan pequeas oscilaciones. Cuando algunas vibraciones aparecen en las superficies en contacto, ocurren pequeos deslizamientos en la direccin del movimiento relativo, esos pequeos deslizamientos son causa de desgaste por fretting. El mecanismo se presenta cuando se mantiene el sistema sometido a un gran nmero de ciclos. Puede conducir a la prdida de las uniones de contacto de los cuerpos, incrementando la vibracin y acelerando la tasa de desgaste. Tambin se ha observado que en general los debris (partculas de desgaste), son xidos y como estos ocupan un mayor volumen que el material que los origina, pueden conducir a falla por Seizure (adhesin severa que conduce a soldado de las superficies), en partes diseadas para trabajar con una determinada holgura. De esta forma la holgura ser ampliada y los debris tendrn la posibilidad de abandonar la interfaz ms fcilmente.

Lugares que se encuentran propensos a fretting en un remache

Desgaste por ErosinSe presenta en la superficie de los cuerpos, resultado del impacto de partculas slidas, lquidas o gaseosas que los impactan. Estas partculas pueden actuar solas o de manera combinada. La erosin afecta muchos materiales de ingeniera, especialmente elementos que componen maquinaria usada en la industria minera y en general toda pieza que sea impactada por cualquier tipo de partcula. Las partculas que causan el desgaste erosivo pueden estar en ambientes secos o hmedos pudiendo actuar en forma muy variadas. Cuando el medio de trabajo es hmedo (por ejemplo, un medio con agua y partculas de arena), la erosin y la corrosin son fenmenos que actan en forma sinrgica, provocando la degradacin acelerada de los materiales.

Proteccin contra laFriccin y el desgasteDesde que el desgaste comenz a ser un tpico importante y que necesitaba estudiado y entendido, comenzaron a aparecer en los libros de diseo y en la mente de los diseadores, ideas sencillas de como prevenirlo o combatirlo, entre esas ideas se tienen:1. Mantener baja la presin de contacto 2. Mantener baja la velocidad de deslizamiento 3. Mantener lisas las superficies de rodamientos 4. Usar materiales duros 5. Asegurar bajos coeficientes de friccin 6. Usar lubricantes

Lubricacin El propsito de la lubricacin o

engrase es el de interponer una pelcula de un material fcilmente cizallable entre rganos con movimiento relativo. La sustancia fcilmente cizallable es lo que se conoce como lubricante.

Tipos de lubricacin Pelcula Fluida: Las superficies en movimiento son separadas, aprovechando el

grosor y la viscosidad de la pelcula aportada por el lubricante; y a travs de su propio esfuerzo cortante. La friccin y el desgaste generado son mnimos, por lo que es el tipo de lubricacin ms deseada. La pelcula fluida puede ser formada de varias maneras:

Pelcula Hidrodinmica:

Se forma a travs del movimiento de las superficies lubricadas convergiendo en un punto, en el cual, se genera una presin tal, que permite mantener estas superficies separadas.

Pelcula Hidrosttica: Se genera mediante el bombeo a

presin de un fluido entre las superficies, las cuales pueden o no estar en movimiento.

Pelcula Elasto-Hidrodinmica (EHL): Las pelculas

EHL se forman en sistemas que contienen dos superficies metlicas lubricadas en movimiento y soportando una determinada carga. El elemento metlico se deforma leve y elsticamente, permitiendo la formacin de la pelcula hidrodinmica, la cual separa dichas superficies.

Lubricacin Lmite Lubricacin lmite: La capa de fluido siempre se

mantiene de menor espesor que la altura de las irregularidades, el contacto de ellas es constante, la mayor parte de la carga es soportada por las irregularidades.

Pelcula Slida Pelcula Slida: Las molculas del lubricante se

alojarn en las irregularidades de las superficies metlicas, rellenando y emparejando sus cavidades, todo lo cual, permitir reducir la friccin y el desgaste.

Funciones de los lubricantes Proteger el desgaste, la corrosin y oxidacin Contribuir a la estanqueidad Contribuir a la refrigeracin

Facilitar la evacuacin de impurezas

Tipos de lubricantes para el trabajo en metales Antes de la aparicin de estos productos en el

mercado, era comn en los talleres de maquinado de metales el empleo de agua jabonosa con pequeos agregados de querosn tambin soluciones acuosas de carbonato de sodio preparadas sin ningn contralor; pero estas soluciones no tienen un efecto lubricante apreciable y actan virtualmente tan solo por medio de enfriamiento

Los lubricantes en la manufactura.Fluidos Sintticos Existen tres tipos de fluidos concentrados base agua

para el trabajo de metales. Cada tipo est determinado por la cantidad de aceite mineral que contiene. Los fluidos de aceite soluble contienen la mayora de

aceite mineral, Los semi-sintticos o fluidos de micro-emulsin contienen cantidades menores de aceite. Los fluidos sintticos no contienen aceite mineral.

Aplicaciones de fluidos sintticos Aumento en el control de la concentracin Los productos sintticos rechazan el aceite entrampado mejor que los aceites solubles y los semi-sintticos

Baja espuma Los fluidos de metales de trabajo sintticos producen

por su naturaleza menor espuma que los aceites solubles o semi-sintticos.

Reduccin de Neblinas Los productos sintticos generan menor cantidad de

neblinas en las operaciones de trabajo de metales. OTROS: Aumenta la vida del depsito Operaciones ms limpias Reduccin del tiempo programado

Lubricantes minerales Es el ms usado y barato de las bases parafnicas.

Grasas Lubricante Una grasa lubricante es un material semifluido

formado por un agente espesante, un aceite basa y normalmente, una serie de aditivos. Las grasas se pueden utilizar en sustitucin de los aceites lubricantes

Pelculas metlicas y polimricas Se utilizan capas delgadas de metales suaves y los

recubrimientos de polmero, como lubricantes slidos. Metales adecuados: Plomo, indio, cadmio, estao, etc. Polmeros adecuados: Polietileno, metacrilatos

Sin embargo estos recubrimientos tienen pocas

aplicaciones, por su falta de resistencia bajo grandes esfuerzos de contacto y a temperaturas elevadas. Tambin se usan metales suaves para recubrir metales de alta resistencia, si el xido de determinado metal tiene baja friccin y es lo bastante delgado, la capa de xido puede servir como lubricante slido.