iii parte_tribología_fricción, desgaste y lubricación by emilio augustu Álavarez.pdf

TR1BOLOGIA: Fricción, Desgaste y Lubricación. 65

PARÁMETROS DE LA RUGOSIDAD Y LAS ONDULACIONES En el contacto de las superficies reales influye de manera decisiva las irregularidades superficiales obtenidas durante la elaboración mecánica, de los cuerpos.

Las irregularidades superficiales se clasifican en tres categorías: macrodesviaciones de forma; ondulaciones y rugosidades (Fig. 3.1).

• Macrodesviaciones de forma. No presentan regularidad a lo largo de la pieza, se deben a insuficiente precisión o rigidez de la máquina herramienta y la herramienta de corte. La relación entre el paso y la altura es S/H > 1000. Como desviaciones de forma se tienen la conocidad, convexidad, concavidad, etc.

• Ondulaciones. Son irregularidades que se repitan periódicamente de forma regular; el paso entre ellas es considerablemente mayor que su altura 50 < S/H < 1000. Se originan por vibraciones de baja frecuencia durante el maquinado.

• Rugosidad superficial. Son las irregularidades con S/H < 50. La rugosidad superficial depende de:

El filo y desgaste de las herramientas de corte Régimen de maquinado Materiales de la herramienta y el semiproducto Tipo de elaboración mecánica Vibraciones

Las características geométricas de la rugosidad superficial son:

Densidad = 102 - 10^ picos/mm 2

- Altura = 0.2 - 0.8 pm Paso = 1 - 7 5 pm Pendiente respecto al plano horizontal = 5 - 1 0 ° . Radio de las asperezas = 10-20 pm (_ 50 pm).

Para describir la rugosidad superficial se utilizan diferentes parámetros estadísticos. (Fig.3.2).

Fig. 3.1 - Irregularidades superficiales. 1 - Macrodesviaciones de forma; 2 - Ondulaciones; 3 - Rugosidad superficial

X

yl ]

Fig. 3.2 - Perfilograma superficial.

Determinación de los parámetros de la rugosidad superficial

Rmax

L - longitud básica del perfilograma

66 Contacto de los cuerpos sólidos.

R p y R p m - media probabilística del perfil. - Altura desde la línea media hasta al punto más alejado de las crestas y valles ( R p m - media).

J /=i

R a - desviación media aritmética del perfil. - Es el valor medio de la distancia del perfil efectivo o real a la línea media.

R0=-Í\r. (3.2) n i

R q - desviación media cuadrática del perfil.

L.

-•\y2(x)dx (3.3)

R z = Rtm - altura media de las irregularidades. - Altura media de las microirregularidades del perfil por diez puntos.

Rmax - altura máxima de las irregularidades.

R ^ *5R q *6Ra (3.5)

r - radio medio de curvatura de las asperezas. (=7!

r = ^— (3.6) n

t p(p) - función de distribución del perfil.

< , = f 2 > (3-7)

Sm - paso medio de las asperezas.

sm = l-ts, (3-8)

» ,=i

Entre los parámetros estadísticos existen relaciones aproximadas:

Rmáx = 6 R a R p = R m a x / 2 Rq = 1.25 Ra

Rmáx = 1.2 R z R p = 3 R a

Determinación de los parámetros de las ondulaciones

W m = Hom - altura media de las ondulaciones.

j ««i ^ /=i

TRIBOLOGIA: Fricción, Desgaste y Lubricación. 67

W s m = Som- paso medio de las ondulaciones.

n /=i « /=i

W m = R o - radio medio de las ondulaciones.

w

(3.10)

(3.11) n n

En dependencia del tipo de maquinado, en las normas y manuales especializados se dan tablas con los valores de los parámetros de la rugosidad (Tablas 3.1 - 3.7).

Tabla 3.1 - Grados de acabado superficial. GA Ra (p.m) Rz (um) GA Ra (um) Rz (um) GA Ra (pm) Rz (um)

63 250 2 8 0.063 0.25 100 80 320 3.2 2.5 10 0.1 0..080 0.32

100 400 3.2 12.5 0.100 0.40 32 125 1 4 0.038 0.125

50 40 160 1.6 1.25 5 0.05 0.040 0.160 50 200 1.6 6.3 0.0500 0.200 16 63 0.5 2 0.016 0.063

25 20 80 0.8 0.63 2.5 0.025 0.020 0.080 25 100 0.8 3.2 0.025 0.100 8 32 0.25 1 0.008 0.032

12.5 10 40 0.4 0.32 1.25 0.012 0.010 0.040 12.4 50 0.4 1.60 0.012 0.050

4 16 0.125 0.50 6.3 5 20 0.2 0.160 0.63

6.3 25 0.200 0.80

Tabla 3.2 - Grados de acabado de superficies planas de rotación obtenidos con distintos métodos de elaboración.

Método Grado Método Grado Método Grado de de de De de de

Elaboración Acabado Elaboración Acabado Elaboración Acabado Torneado Frezado con FC Lapeado SP

- Desbastado 25-6.3 - Desbastado 6.3-2.5 - Superfinish 0.4-0.012 - Afilado 2.5-1.6 - Afilado 6.3-1.5 - Corriente 1.6-0.4 - Pulido 1.6-0.4 - Espejo 0.1-0.012

Rectificado C v P Frezado con FN Bruñido - Desbastado 6.3-1.6 - Desbastado 2.5-6.3 - Corriente 0.8-0.2 - Afilado 1.6-0.4 - Afilado 2.5-1.6 - Pulido 0.2-0.05 - Pulido 0.8-0.2 - Pulido 1.6-0.4

Tabla 3.3 - Grados de acabado de las superficies de agujero. Método de elaboración Grado de acabado Método de elaboración Grado de acabado

Taladrado 50-12.5 Escariado Barrenado - Desbastado 2.5-3.2 - Desbastado 25-6.3 - Afilado 6.3-1.6 - Afilado 1.25-3.2 - Pulido 1.6-0.4 Mandrinado Rectificado - Desbastado 150-125 - Desbastado 6.3-1.6 - Afilado 12.5-3.2 - Afilado 1.6-0.4 - Brochado 6.3-08


Tabla 3.4 - Parámetros geométricos de las irregularidades para piezas de acero.

— Método de

elaboración Ra um

Rraax pirn

r Jim V b

Método de elaboración

Ra um

Rmax u,m

r Jim V b

6.3 17.5 35 2.4 2.5 0.8 3 15 2.2 1.5

Rectificado Plano

3.2 10 100 1.15 2.75 0.4 1.66 20 2.1 2.2 — Rectificado

Plano 1.6 6 180 1.10 1.85 Bruñido 0.2 0.77 35 2 3 Rectificado Plano 0.8

0.4 3

1.57 3.70 5.50

2.1 2

3 3.5

0.1 0.40 70 1.9 4

! Frezado Frontal

6.3 21.25 4.25 1.65 1.8 0.8 3.28 230 2.2 3 Frezado Frontal 3.2 10 900 1.6 2.5 Pulido 0.4 1.5 450 1.7 3.25 Frezado Frontal 1.6 6.7 1350 1.6 2.5 0.2 0.78 670 1.3 3.5

- 12.5 40 20 1.8 1.3 12.5 38.5 50 1.95 2.2

Frezado 6.3 3.2

20 10

30 45

1.6 1.5

1.7 1.8

Cepillado 6.3 3.2

20 9.58

90 230

1.90 1.60

2.5 2.7

1.6 6.6 80 1.45 2 1.6 6.66 400 1.50 2.65 3.2 10 5 2 1.9 0.2 0.75 300 3 1.5

Rectificado 1.6 6.15 8 1.95 2 Esmerilado 0.1 0.4 500 2.5 2.2 Interior 0.8 3.25 13 1.85 2.5 plano 0.05 0.2 1000 2.3 2.5

0.4 1.54 18.5 1.75 -3

J 0.025 0.1 3000 2.2 3 1.6 6.15 8 2.6 2.3 0.2 0.85 30 2.3 1.9

— Rectificado 0.8 3. 12 2.4 2.6 Esmerilado 0.1 0.4 40 2.2 2. Cilindrico 0.4 1.66 20 2.3 2.8 cilindrico 0.05 0.2 65 2 2.1

0.2 0.85 30 2.2 3.5 0.025 0.1 75 1.5 2.5 6.3 20 35 1.5 1

Torneado 3.2 1.6

10 6.25

50 75

1.45 1.35

1.5 2.

— 0.8 3.24 120 1.3 2.1

Tabla 3.5 - Parámetros geométricos de las irregularidades para piezas de hierro fundido. Método de

elaboración Ra Jim

RmaxH m

R um

V b Método de elaboración

Ra jam Jim

r jxm V b

12.5 41.1 18.5 2.1 1 3.2 10 12 2.2 2.5

Cepillado 6.3 3.2

19.23 10

25 100

2 1.8

2.3 4

Rectificado interior

1.6 0.8

6.4 3.12

16 25

2.1 1.9

2.8 3.5

1.6 6 150 1.7 4.3 0.4 1.5 45 1.85 3.75 3.2 10 60 2 2 12.5 41.66 25 1.9 1.1

Rectificado 1.6 6.66 100 1.97 • 2.5 Torneado

3.6 28.84 37.5 1.8 1.3 plano 0.8 3.07 200 1.95 3.8

Torneado 3.2 24 60 1.7 2

0.4 1.56 250 1.8 4.5 1.6 21.66 130 1.6 2.5 12.5 42.5 17 1.95 1.6 6.3 10 50 1.9 1.5

Frezado 6.3 20 20 1.9 . 2 Rectificado 3.2 6.3 85 1.75 2.5 cilindrico 3.2 10 25 1.8 2.3 cilindrico 1.6 3 150 1.7 2.75

1.6 6.25 50 1.65 2.5 0.8 1.58 190 1.8 3 12.5 41.6 25 - - 3.2 0.86 15 1.3 2

Frezado 6.3 20 40 1.5 1.1 Esmerilado 0.1 0.36 20 1.2 2.3 frontal 3.2 10 60 1.4 1.4 Cilindrico 0.05 0.2 40 1.1 2.4

1.6 6 90 1.35 1.5 0.025 0.1 55 1.05 3

TRJBOLOGIA: Fricción, Desgaste y Lubricación. 69

Tabla 3.6 - Parámetro de las ondulaciones longitudinales. Método de elaboración Grado de acabado H 0 , um S 0, um Ro, um

Rectificado del acero 3.2 0.4

12 1.25

2.4 3.5

30 350

Rectificado para el hierro 3.2 9 1.8 40 fundido (HF) 0.4 1.3 2.3 200

Cepillado del Acero 12.5 1.6

12 1

5 1

40 100

Cepillado del HF 12.5 12 1.65 20 Frezado cilindrico del 12.5 40 1.7 5 acero 3.2 1.5 3.4 45 Frezado cilindrico del 12.5 30 1.8 10 hierro fundido 3.2 7.5 2.5 60 Esmerilado plano del 0.2 0.50 1 150 acero 0.1 0.25 1.5 850

Tabla 3.7 - Parámetro de las ondulaciones transversales. Método de elaboración Grado de acabado H 0 , um Ro» l¿m So/ Ho Rectificado interior del 3.2 4.5 10 100 acero 0.4 0.6 80 1350 Rectificado interior del 3.2 3 5 20 hierro fundido (HF) 0.8 1 400 450 Rectificado cilindrico del 1.6 3 10 165 acero 0.4 0.75 25 400 Rectificado cilindrico 3.2 7.5 10 80 hierro fundido (HF) 0.4 0.5 100 1850 Rectificado plano del 6.3 13 15 100 acero 0.4 1.2 50 700 Rectificado plano del 3.2 4 .20 200 hierro fundido 0.4 0.8 80 800

Cepillado del acero 12.5 1.6

6 2

10 30

200 250

Pulido del acero 0.8 1.5 10 200

Pulido del acero 0.2 0.3 25 500

Esmerilado plano acero 0.1 0.35 -.5 300

Esmerilado plano acero 0.05 0.10 10 600

Esmerilado cilindrico del 0.2 0.15 2.5 400 hierro fundido 0.025 0.05 10 700

Bruñido 0.8 0.8 40 200

Bruñido 0.1 0.1 2.5 700

3.3 CRITERIOS PARA LA EVALUACIÓN DE LA RUGOSIDAD SUPERFICIAL Uno de los parámetros de la rugosidad utilizados en la solución de los problemas de la fricción y el desgaste es el "parámetro complejo de rugosidad" (A). Este se determina como:

A - , ! : ; ! X (3.12) r 'ir*

Rmax. - altura máxima de las microirregularidades b y v - parámetros de la curva de apoyo del perfil

Los parámetros comprendidos en A se determinan a partir de perfilograma del perfil.


El parámetro complejo de rugosidad A es el que mayoritariamente refleja las condiciones de explotación de la rugosidad, debido a que, paralelo al parámetro de altura R m a x , éste considera los parámetros de distribución de las microirregularidades por la altura y el radio medio de los picos individuales.

El trazado del perfil y su descripción analítica permite determinar el parámetro complejo de rugosidad A a partir de las siguiente suposiciones:

La línea de apoyo del perfil t p se describe como una función exponencial.

f j v tP = b - s = *>

V ^ m á x J

(3.13)

Determinando la aproximación (h) y el radio de curvatura de las microirregularidades (r), y dividiendo ambos términos de la ecuación por éste último, se tiene (e - aproximación relativa):

h

r Kr-b

máx

X (3.14)

donde: h/r - Es la aproximación entre los cuerpos y caracteriza el estado deformacional (contacto elástico y plástico).

La determinación de los parámetros que intervienen en el complejo de rugosidad por medio del perfilograma se realiza de la siguiente manera:

La altura máxima de las microirregularidades Rmax se determina según la ecuación 3.5.

Radio de curvatura de las microiregularidas (rugosidad) a partir de la ecuación 3.6

El radio de redondeo de las microirregularidades se define como:

V (3-15) r r t l - radio de curvatura de las microirregularidades longitudinal r j - radio de curvatura de las microirregularidades transversal

Los indicadores de la curva de apoyo del perfil tp, b y v se puede determinar a partir de la desviación media aritmética R a y la media probabilistica del perfil R p .

= 2* Rp - 1

b = t Rp R„ R

tp = t Rp

P J

V a

JPJ

(3.16)

(3.17)

(3.18)

Para los métodos de elaboración con arranque de viruta ta p = 0.5 y para métodos de rectificado de la rugosidad inicial í r p = 0.55. Para estos valores de í r p las ecuaciones anteriores toman la siguiente forma:


R

6 = 0.5 f R ^

máx

f =0.55 ( Y a

(3.19)

(3.20)

(3.21)

Considerando la aproximación R m a x « 6Ra y para superficies con perfiles simétricos respecto a la línea media, se puede determinar t p como:

í V a (3.22)

Modelando los picos de las microirregularidades hasta el nivel medio de la línea de los cuerpos por medio de doble curvaturas se pueden determinar sus radios longitudinales y transversales.

9 S i (3.23) 32 K

S c m y h m - Area y altura media de los segmentos de las irregularidades modeladas que cortan a la línea base.

R„L S.

2n

n - número de picos en la línea base del perfil.

K=RP-0-\R:

Sustituyendo 3.23 y 3.24 en 3.22 y considerando R z = 5R a se tiene:

9R2

aS2

m

m(R-0.5Rj r =

(3.24)

(3.25)

(3.26)

Sm - - Paso medio de las irregularidades n

El parámetro complejo de rugosidad A se determina a través de los parámetros normalizados R p y t de la siguiente forma:

A = V Írp J

v R. (3.27)

La dependencia entre las propiedades de explotación de los elementos del sistema tribológico y los parámetros de la rugosidad de sus superficies se muestra en la tabla 3.8.

TRIBOLOGIA: Fricción, Desgaste y Lubricación.. 73

deterioro de las capas superficiales ocurre cuando se cumple que la rugosidad inicial es aproximadamente igual a la del asentamiento (Fig. 3.4c).

DETERMINACIÓN DE LA RUGOSIDAD EN SUPERFICIES ASENTADAS CONSIDERANDO LA TEORÍA MECÁNICO-MOLECULAR DELA FRICCIÓN. Considerando los fundamentos de la teoría mecánico-molecular , la naturaleza de la fricción y del desgaste por fatiga, las propiedades físico-mecánicas de los materiales del par y las condiciones de fricción se han desarrollado ecuaciones que permiten de forma analítica conocer la rugosidad que se alcanza durante el periodo de asentamiento.

La rugosidad inicial esta compuesta por un conjunto de microirregularidades, diferentes unas de otras en altura y forma geométrica. En el período de asentamiento estas microirregularidades van a estar sometidas a la acción repetitiva de tensiones tangenciales y normales, las cuales bajo la acción de considerables presiones van o a cizallarse o bien deformarse plásticamente. Las rugosidades más planas (lisas) también van a tener una marcada influencia sobre el asentamiento debido a fenómenos adhesivos, causantes de un alto grado de deterioro de las capas superficiales. Es por ello que de todo el conjunto de irregularidades, diferentes en altura y radios de curvatura las más beneficiosas para el periodo de asentamiento resultan las de valores intermedios. Estas resultan las que predominan en las superficies asentadas (Fig. 3.5). Tal es la hipótesis de la teoría mecánico-molecular .

Debido a que el deterioro acumulado en la capa superficial del material tiene un carácter cíclico repetitivo, la variación de la microgeometría tiene un carácter temporal. Durante este tiempo tiene

Fig. 3.4- Variación de la rugosidad durante el periodo de asentamiento en el par acero-acero, a) Incremento de Ra cuando Rai < Raa; b) Disminución de Ra cuando

Rai > Raa; c) Comportamiento Ra cuando Rai ~Raa.

Fig. 3.5 - Influencia de la rugosidad inicial sobre el coeficiente de fricción y mecanismo de formación de la rugosidad óptima (de asentamiento).


3.4 RUGOSIDAD DE SUPERFICIES ACENTADAS En la solución de problemas relacionados con la fricción y el desgaste son de gran interés los aspectos relacionados con la interacción de superficies asentadas. Generalmente los diseñadores y los tecnólogos basados en la experiencia acumulada, designan la rugosidad inicial de las superficies de manera tal que se garantice las mínimas pérdidas energéticas por fricción y que el desgaste en el periodo de asentamiento sea el mínimo posible, tanto en magnitud como en el tiempo de trabajo del par tribológico. Es por ello que el estudio de las propiedades friccionantes y antidesgaste durante el periodo normal de explotación del par, fortalece cuantitativa y cualitativamente los conocimientos sobre la calidad de las superficies durante el periodo de asentamiento.

RUGOSIDAD ÓPTIMA La existencia de una rugosidad uniforme (estable) en superficies asentadas ha quedado bien demostrada desde el punto de vista práctico.

En ocasiones por rugosidad óptima se entiende aquella que se ha alcanzado en el periodo estacionario de desgaste, al que le corresponden los menores valores del coeficiente de fricción, intensidad del desgaste y temperatura generada por la fricción. Anteriormente era correcto para el caso del periodo estacionario manejar el término "rugosidad estable" el cual se entiende como: rugosidad uniforme alcanzada durante el proceso de fricción, bajo constantes condiciones de rozamiento y solo después del período de asentamiento.

Como rugosidad óptima se debe entender la rugosidad tecnológica inicial que es capas de garantizar el menor desgaste posible durante el periodo de asentamiento, es decir cercano al desgaste estacionario, por ejemplo curva 4 figura de la figura 3.3.

Amplios son los trabajos que en esta dirección se han venido desarrollando por diferentes autores. El mayor interés lo presentan los trabajos en los cuales se ha intentado determinar la rugosidad óptima considerando las propiedades físico-mecánicas de los materiales del par y las condiciones de explotación a que están sometidos.

En la figura 3.4 se muestra el comportamiento de la rugosidad para diferentes condiciones iniciales.

La rugosidad superficial varía de manera creciente si la rugosidad inicial (R a¡) es menor que la que se alcanza durante el periodo de asentamiento (R a ) (figura 3.4a). Este incremento ocurre de manera paulatina. Contrario a esto, si se cumple que la rugosidad inicial es mayor que la del asentamiento, se tiene un decrecimiento de la rugosidad de la misma (Fig. 3.4b). El menor

1 2 , 3 . lOg t,(lttÍD)

Fig. 3.3 - Variación de diferentes rugosidades iniciales de las superficies de los pares Acero - Acero (1 y 2) y hierro fundido - hierro fundido (3 y 4)


lugar una determinada disminución del efecto de las cargas externas y una desaceleración del desgaste, es decir a ocurrido el asentamiento.

Para seleccionar las ecuaciones que posibilitan predecir el valor de la rugosidad que se alcanza durante el periodo de asentamiento, considerando la doble naturaleza de la fricción requiere de las siguientes suposiciones:

1. El asentamiento conduce a una configuración de las microirregularidades que, preferentemente, dan lugar al contacto elástico

2. Durante el contacto de dos superficies elásticamente deformable se considera que entre ellas surgen fuerzas de interacción molecular que responden a la siguiente dependencia:

T„ = T V P * ^ ( 3 - 2 8 )

3. Las propiedades elásticas de los cuerpos en contacto se diferencia tanto que la deformación del cuerpo más rígido en comparación con la del más blando se puede despreciar

4. Bajo la acción de la carga las irregularidades del cuerpo más duro penetran en el más blando, en este caso se consideran los parámetros microgeométricos del material más duro y las propiedades físico-mecánicas del más blando

5. Debido a que se determina la rugosidad de asentamiento que se origina en el periodo estacionario, a de considerarse las propiedades físico-mecánicas de los cuerpos para estas condiciones. Estas son determinadas por medio de los parámetros to y P que toman en cuenta las condiciones reales del estado de las superficies

Es importante señalar que las suposiciones 3 y 4 se refieren al caso concreto (a pesar de ser el más común) en que contacta una superficie blanda con una rugosa. Para el caso en que contactan dos cuerpos de aproximadamente igual dureza es decir para el modelo duro-duro toman los parámetros de la microgeometría y propiedades físico-mecánicas de ambos cuerpos.

A partir de las consideraciones hechas, de los modelos en los cuales las superficiales rugosas de dos cuerpos modelan no solo la altura de las irregularidades R m a x . y el radio de curvatura medio r con una distribución que se ajusta a la ecuación del tipo t p = bs v , del hecho de que existe movimiento relativo y que las deformaciones que predominan son elástica, se realizan los correspondientes cálculos:

El coeficiente de fricción como una función de las propiedades físico-mecánicas, de la rugosidad superficial y la carga para el caso del contacto elástico se determina como:

f=T^ + $' +k-a,.-fc (3.29) P, ^¡r

Determinando la magnitud de la presión real y de la aproximación relativa a partir de las propiedades físico-mecánicas de los materiales del par de fricción y sus rugosidades para regímenes de carga y de lubricación constantes se tiene:

-^máx 1 + -^máx 2

R \ + R 2

K2b] b2

RnÚK 1 + ^ m á x 2

J v m á x l J \ n á x 2 J

(3.30)

Durante el contacto de dos superficies de igual rugosidad y de un mismo material R m a x i = Rmax2; V]= v 2 ; bi = b 2 ; r* = r 2 por consiguiente A a = 2A¡.

TR1B0L0GÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación. 75

Para el caso en que se cumple que H B 1 » H B 2 , E 1 » E 2 , y v = 2 se tiene (modelo Duro-Blando):

f \ % ( (i 2\\

{ E ) A_ =16

La ecuación anterior es válida si cumple que Pe < Pc c r ¡ t , donde:

(3.31)

P = HB5

™ 2 5 6 A 2 - £ 2 (3.32)

Para el caso en que A a = A¡. se tiene que:

To = HB2

a„ 84 .5£ (3.33)

La presión real para el caso del período de asentamiento se puede determinar por la siguiente ecuación:

P' =1.45 OÍ • (F)

0 E

(3.34)

(3.35)

El coeficiente mínimo de fricción correspondiente al periodo de asentamiento se determina a partir de la siguiente ecuación:

(3.36)

3.5 MODELOS FISICOS DE CONTACTO Los modelos físicos de contacto se clasifican de acuerdo a diferentes indicadores.

De acuerdo a la rugosidad superficial y ala relación de la dureza entre los cuerpos

Se tienen dos modelos:

Modelo rugoso-liso (duro-blando)

Se considera solamente la rugosidad superficial del cuerpo más duro y no se considera la del cuerpo blando (Fig. 3.6); este modelo se conoce también como Duro-blando

HB-,

HB.

Fig. 3.6 - Modelo rugoso-liso.


Desde el punto de vista de la dureza, se logra este modelo cuando se cumple la condición:

HB, > 2 - 3 (3.37)

Desde el punto de vista de la rugosidad superficial, se considera con contacto rugoso-liso si:

R va2

R > 4 - 5 (3.38)

al

En este modelo se considera la rugosidad del cuerpo más duro y las propiedades mecánicas del material más blando.

Modelo rugoso-rugoso (duro-duro) En este caso se considera la rugosidad superficial de ambos cuerpos (Fig.3.7); se conoce también como modelo duro-duro.

Se produce cuando:

HB « < 2

Fig. 3.7 - Modelo rugoso-rugoso.

HB,

ó cuando:

R

R «l < 4

(3.39)

(3.40) al

Según la cinemática de los cuerpos del par tribológico Para los sistemas tribológicos formados por pares de materiales de diferentes durezas dimensiones se presentan dos pares de rozamientos fundamentales:

• Par directo: Cuando el elemento del par de mayor dureza HB2 se mueve con respecto al más blando HB] (Fig. 3.8 a) y además se cumple que el área nominal del más duro es menor que la del más blando ( A n 2 < A n i ) .

a) b)

Fig. 3.8 - Par directo (a) y Para inverso (b).

TR1B0L0GÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación. 77

• Para inverso: Cuando el elemento del par de menor dureza HBi se mueve con respecto al más duro HB2 (Fig. 3.8 b) y además se cumple que el área nominal del más duro es menor que la del más blando (A n2 < A n i ) .

El deslizamiento del aro del pistón de un motor de combustión interna cromado por la superficie del cilindro de hierro fundido perlítico es un ejemplo de par directo. Si por el contrario se recubre la superficie del cilindro con cromo y se elabora el aro de hierro fundido perlítico estaremos en presencia del par inverso.

Para definir que tipo de par, el directo ó el inverso, es el idóneo para una determinada aplicación hay que tomar en cuenta factores tales como: las condiciones de explotación, la durabilidad, resistencia al desgaste, ventajas económicas, etc.

La experiencia práctica, los ensayos en bancos de pruebas y los estudios a nivel de laboratorio, han demostrado que el par inverso durante el desgaste adhesivo es más resistente al agarramiento que el directo y provoca un menor grado de deterioro de la superficie.

La diferencia entre el par directo y el inverso durante su funcionamiento radica en lo siguiente: En el par directo durante la acción de la carga, la deformación plástica del elemento de menor dureza obstaculiza el funcionamiento normal del par, motivo por el cual aumenta la fricción, incrementa el grado de deterioro de la superficie y ocurre la rotura. En el para inverso, contrario al directo la deformación plástica que tiene lugar producto de la influencia de la carga, no obstaculiza el funcionamiento normal del par. Lo anterior está a que dado demostrado en los ensayos realizados en la máquina de fricción frontal de tres cabezales. Los ensayos realizados utilizando probetas cromadas que se deslizan por el disco contra-cuerpo de acero blando (Par directo) y viceversa disco contra-cuerpo cromado y probetas de acero blando (Par inverso) y con incremento paulatino de la carga, demostraron que el agarramiento en el par inverso tuvo lugar para cargas 15 veces superior a las del par directo.

TIPOS DE CONTACTO {fh. La interacción de los cuerpos sólidos durante la fricción externa está localizada en las finas capas superficiales. La forma geométrica de los cuerpos define el Macrocontacto y la calidad de las superficies el Microcontacto. El macrocontacto está definido por las dimensiones macrogeométricas de los cuerpos en contacto y el microcontacto por los parámetros que caracterizan la calidad de las superficies. A partir de lo anterior es que dentro del estudio de los fenómenos de la fricción y el desgaste se introduce el concepto de áreas de contacto (Fig.3.9).

Fig. 3.9-Area de contacto.

AREAS DE CONTACTO

Las ondulaciones y rugosidades superficiales definen el contacto de los cuerpos sólidos; esta situación ha definido que en la mecánica del contacto se consideren diferentes áreas (Fig. 3.6).


• Área nominal de contacto (A n ): Se corresponde con las dimensiones geométricas de los cuerpos y su elasticidad; se determina por las conocidas expresiones de Hertz

• Área real de contacto (A r ): Es la suma de las áreas de las asperezas en contacto; A r < A a

La magnitud del área real depende de la carga, propiedades de los materiales, tipo de deformación y la rugosidad superficial.

• Area de contorno (A c ): El contacto entre las asperezas se produce en determinada zona, la suma de estas zonas define el área de contorno: Ac = I ( S 1 + S 2 + S 3 + ... + Sn)

La relación entre las diferentes áreas es: Ar<(0 .01 -0 .10%)An A c < ( 5 - 1 5 % ) A n

Área nominal para cuerpos de superficies planas

En el caso de los cuerpos con superficies planas el área nominal se corresponde con el área geométrica del cuerpo de menores dimensiones (Tabla 3.7).

Tabla 3.8 - Area nominal en cuerpos que contactan por superficies planas. Forma geométrica de los

cuerpos Ecuaciones para el cálculo del área

nominal de contacto(A n, mm )

A n = A-B Pn = F n /A-B

h / ^ /

A n = A-B - a-b P n = F„/ A-B - a-b

A n = B-(A - a) P n = F n / B - ( A - a )

i A n = Tt-D2/4 = 7tR2/2 = 0.7854D 2

P n = F n/0.7854D 2

i

A n = 7t-(D2 - d 2)/4 P n = 4F n /7 t - (D 2 -d 2 )

Area nominal para cuerpos de superficies curvas

La determinación del área nominal de contacto en cuerpos de superficies curvas se determina a partir de las conocidas expresiones de Hertz siempre que el estado tensional volumétrico sea elástico. Para este caso se hace necesario de terminar para cada uno de los 11 modelos de Hertz

TRIBOLOGIA: Fricción, Desgaste y Lubricación.. 79

mas determinar el semiancho de la banda de contacto. En este apartado se trataran los modelos comunes en la práctica ingenieril.

• Área nominal para contacto entre cuerpo esférico y canal circular ('rodamiento de bola).

En lo posterior este será el Modelo 1 (Fig. 3.10).

Fig. 3.10 - Rodamiento de bola.

Semiancho de la banda de contacto a y b:

a = \.\AS-nn • 31 Fn (3.41)

/?i R2 R3

6 = 1 .145-« . -3¡Fn-

/?, R2 R3

Si E, - E 2 - E y p! = p 2 = 0.3, entonces:

(3-42)

a = 1.397-na

Fn E

R\ R2 R3

(3-43)

6 = 1.397

A„ = a.b

a.b

nb -3

Fn ~E

2 1 1

" R2 + #3

(3.44)

(3.45)

(3.46)


• Area nominal para contacto entre cuerpo en forma de barril y canal circular (rodamiento de rodillo)


Fig. 3.11 - Rodamiento de rodillos.

Semiancho de la banda de contacto:

a = \.\A5-na -3 Fn-1 1 1

— + — + -. R \ R 2 R 3 R 4

(3.47)

6 = 1.145-«,, -3¡Fn- ) • J_ J _ J _ J _

i?, R2 R3 R4

(3.48)

Si Ei = E 2 = E y pi = P2 = 0.3, entonces:

a = 1.397-«

Fn

E a 3 1 1 1 1 1

— + — + R] R2 R3 R4

(3.49)

6 = 1.397-«4 - 3

A„ = a.b

a.b

Fn

E J_ + J _ + J 1_ R\ R2 R-¡ R4

(3.50)

(3.51)

(3.52)

TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación.. 81

Area nominal para contacto entre cuerpos cilindricos con ejes paralelos


Fig. 3.12 - Cilindros con ejes paralelos.


6 = 1.128' Fn R{ • R2 1-/IÍ +\-M2

2 > (3.53)

£, E2

Si se cumple que Ri = R2 - R, las ecuaciones anteriores se simplifican a:

(3.54) b = 0.798- \Fn-R 1 Si

2 \

Si Ei = E 2 = E y pi = p 2 = 0.3, entonces:

6 = 1.522 • Fn R \ , R 2

\ R \ + R2J

(3.55)

Uniendo todas las condiciones anteriores, las ecuaciones toman la siguiente forma:

6 = 1.076- F n ' R (3-56) V IE

A„ = 2b-l (3.57)

F. P. =

26-/ (3.58)

• Area nominal para contacto entre cuerpo cilindricos cóncavo y convexo con ejes paralelos (Cojinete de deslizamiento radial)


Fig. 3.13 - Cojinete de deslizamiento radial.



6 = 1.128-¡Fn Rx -R2

l R2-Rx

2^ (3.59)

Si Ei = E 2 = E y Ui = p 2 = 0.3, entonces:

6 = 1.522

/ 6 = 1.076-

An=2b-l

Fn

Í~TE RrR2

\ R 2 ~ R \ J

Fn • R I-E

2b-l

(3.60)

(3.61)

(3.62)

(3.63)

• Area nominal para contacto entre cuerpos cilindricos y un plano


Fig. 3.14 - Cilindro y un plano.


6 = 1.131 Fn-R

l

2 "\ Mi

Si Ei = E 2 = E y pi = p 2 = 0.3, entonces:

b

(3.64)

¡Fn-R IE

1.526-,

A„ = 2 6 - /

p = A _

" 26-/

CONTACTO ELÁSTICO

(3.65)

(3.66)

(3.67)

Se produce cuando las tensiones normales en las asperezas son menores a la dureza del material mas blando. El espesor de la capa deformada elásticamente durante la fricción varía de 3 - 25 pm; para materiales con alto módulo elasticidad (metales), el contacto elástico es posible solo para superficies con un alto grado de acabado superficial. (Ra < 0.16 pm; bruñido, lapeado, espejo).

El contacto elástico entre los cuerpos sólidos se produce cuando las tensiones normales en las asperezas es menor que la dureza del material mas blando.

( a c < H B b )


El índice de plasticidad \\i permite definir el estado deformacional existente.

y = E7HB (Rq/r)'^ (E' = E / l -p 2 ) Si \\) < 0.6 el contacto es elástico. Si vp = 1 el contacto es plástico.

Cuando el número de asperezas en contacto es menor que el número de asperezas en el área de contorno ( n c < n s ) , se dice que el contacto es "no saturado"; en este caso las asperezas más

pequeña £ de la superficie no han entrado en contacto y el aumento del área real se debe al incremento del número de asperezas en contacto. Cuando todas las asperezas están en contacto ( n c = n s ) se produce el contacto "saturado"; el incremento del área real se debe al aumento de las

áreas individuales de las asperezas en contacto.

Determinación del área real y de contorno

Conociendo las propiedades mecánicas del material, las condiciones de explotación y los parámetros de la microgeometría superficial se pueden determinar los parámetros del microcontacto.

Contacto elástico no saturado: El contacto elástico no saturado se produce cuando:

pCH < 6 - i o - 2 a 0 5 (3.68)

donde:

Ho p: (3.69)

El cálculo de Ac, Ar se realiza a partir de las siguientes expresiones:

(3.70)

7L = o-, P.

A. 2 . U c f ( l - p 2 h .0.8

(3.71)

(3.72)

Contacto elástico saturado: En este caso la presión y el área de contorno se determinan igual que en el no saturado.

El contacto saturado se produce cuando:

E PCH > 6 - l ( T 2 A

\

1-p 2

A «-.324

A 5 7 " E'

j

N 06

)

(3.73)

(3.74)


donde: A - ; ?,= — ; ? „ = — R-bK Ac " An

El contacto saturado sólo se produce en materiales con bajo módulo de elasticidad; en los metales, por lo general, se produce el contacto no saturado y al aumentar la presión se pasa de la deformación elástica a la elasto-plástica.

Conociendo la densidad de los picos, el radio de curvatura de las asperezas y la desviación estándar de la altura de las asperezas se tiene:

_ 2.86.6; RE~ í D \ 0 5 ^ ' R„

E' \ r j

P„, = 0 . 3 5 £ 7

RE V f J

"(3.76)

El número de puntos en contacto se determina como:

Nce = o f i f " / ( 3 - 7 7 )

En las ecuaciones anteriores el módulo de elasticidad reducido (E') es:

( 3 . 7 8 )

£, E2

CONTACTO PLASTICO

Se produce cuando la presión real supera el límite de fluencia de las asperezas en contacto ( a c >

H B D ) . En este caso se considera que las tensiones normales son constantes e iguales a la dureza.

Las deformaciones plásticas se producen por lo general para rugosidades 0.16 < Ra < 2.5 pm; la capa deformada plásticamente puede alcanzar valores del orden de 17 - 58 pm.

Tomando en consideración que los grados de acabados superficiales que con mayor frecuencia se obtienen en la práctica industrial sobrepasan los 0.16pm, este es el tipo de contacto que más se obtiene.

Area real, contacto plástico

HB Arcp = ™ - para materiales no metálicos (3.79)

F Arcp

= 2 j ^ - P a r a materiales metálicos • (3.80)

Presión real, contacto plástico

Si Pc<]~HB la Prcp*HB (3.81) 3

Si P > 1 HB la P = P + 0.4 c - , rcp C

3

( HB^

v P. J (3.82)

TRIBOLOGIA: Fricción, Desgaste y Lubricación.. •" . 85

Presión de contorno, contacto plástico

Como ya hemos definido, la presión de contorno es la fuerza normal por unidad de área de contorno, que como sabemos no es igual al área aparente de contacto.

El cálculo de la presión de contorno depende de varios factores:

a) Si es pequeña o grande la altura de las crestas, con relación a la altura de las ondas

b) Si es elástica o plástica la deformación de las microirregularidades: se considera elástica la deformación de metales con Ra < 0,16 pm y polímeros.. Se considera plástica, en las superficies metálicas con Ra > 0,16 pm

c) Si están envueltas en el área de contacto un pequeño número de ondas que no cambia con el incremento de la carga, o un gran número de ondas que entren progresivamente en contacto al aumentar la carga. Para bajas cargas, aún cuando existan muchas ondas en el área aparente de contacto, sólo de 1 a 3 ondas pueden entrar en contacto

d) Ambas superficies son ondeadas o una es ondeada y la otra puede considerarse plana

Para las distintas condiciones, las ecuaciones de cálculo son las siguientes, para bajas rugosidades o s e a ( R m a x < 0 , l Hb). '

Para bajas rugosidades, Rmáx < 0.1Ho y el número de ondas en contacto nc < 3 (área de contacto nominal pequeña o cargas pequeñas)

_ 0.36 ' Fn\n (3.83)

\ n c ;

Aquí: Fn - es la carga normal n c - número de ondulaciones en contacto. Puede hallarse dividiendo las longitudes del área de contacto nominal (ancho y largo) entre el espaciarhiento medio de las ondulaciones (Se), que se puede determinar por tabla ó dividiendo el área de contacto entre Se2. Re - radio de curvatura de las ondulaciones

* • . Rol • Ra! (3-84)

Rot y Roí - radio de curvatura transversal y longitudinal, respectivamente Qz - es la constante elástica sumaria de los materiales. Si ambas superficies se deforman:

01=0l+62 (3.85)

donde: 2

0 = L l i L (3.86)

E - Módulo de elasticidad del material deformado p - Coeficiente de Poisson


Para número de ondas nc > 3, es decir An >Sc

P, = 0.45 R -i)2

P (3.87)

Aquí: P n - es la presión nominal H 0 - altura de las ondulaciones

Cuando la rugosidad es considerable (Rmax > 0,1 Ho) y el número de. ondas en contacto nc > 3, la presión de contorno se determina como:

P, = 1 ( Ho y ^ s )

Rc-6¿) • P Yv+S 1 n (3.88)

3.6 TENSIONES DE CONTACTO

Las tensiones de contacto son aquellas que surgen durante la compresión mutua de dos cuerpos en contacto, bajo la acción de las fuerzas externas, estando el material en un estado tensional volumétrico, al no poderse deformar libremente en la zona de contacto.

Las tensiones de contacto tienen un carácter puramente local y disminuyen consecuentemente a medida que se alejan de la zona de contacto.

Durante el cálculo de resistencia a la fatiga superficial, es importante tomar en cuenta de forma especial el análisis de las tensiones de contacto, en un número considerable de elementos de máquinas, tales como: rodamientos de bolas y rodillos, ruedas dentadas, ruedas de vagones ferroviarios, raíles y otros.

Fig.3.15 Estado tensional volumétrico en la zona de contacto.

El análisis de las tensiones de contacto, al determinar la resistencia en la zona de contacto, se debe hacer tomando en cuenta las cuestiones siguientes:

1. Determinar los radios de curvatura de los cuerpos que se -tocan, así como el ángulo entre sus planos principales de curvatura.

2. Calcular las dimensiones de los semiejes de la zona de contacto (zona elíptica), según las ecuaciones siguientes:

• Contacto de dos cuerpos de igual material (Fig. 3.16), comprimidos por la acción de la carga normal, Fn, en dirección del eje Z.

TRIBOLOGIA; Fricción, Desgaste y Lubricación.

Fig. 3.16 - Esquema de contacto en cuerpos de igual material. Para este caso los semiejes de la zona de contacto elíptica, se determinan por medio de las fórmulas:

a = a

y

2Fn E 2 (3.89)

f l 1 1 P

ME — + — + — + —

(3.90)

donde: p - coeficiente de Poisson. r i , u', V2, t2 - radios de curvatura de los cuerpos 1 y 2, que se tocan.

A continuación se dan los valores de los coeficientes a y p como funciones del ángulo auxiliar \\i que se calcula por la ecuación siguiente:

+ c o s ^ =

--- 2 + . 1 '

2 + 2 --- r \ r 2

+ Vi.

2 + 2

J2 (3.91) 1 1 1 1

— + - + — + —

Siendo 9 el ángulo entre los. planos principales de curvatura de los cuerpos en los cuales se encuentran los radios n y r 2 . Los signos en la ecuación anterior se eligen de forma que el cosí}/ sea positivo.

Tabla 3.9 - Valores de y/°, a, B a 3 M,0 a 3

20 3.778 0.408 60 1.482 0.717 30 2.731 0.493 65 1.378 0.759 35 2.397 0.530 70 1.284 0.802 40 2.136 0.567 75 1.202. 0.846 45 1.926 0.604 80 1.128 0.893 50 1.754 0.641 85 1.061 0.944 55 1.611 0.678 90 1.0 1.0


3. Determinar la tensión máxima (a m áx) en la zona de contacto, para lo cual se utilizan las ecuaciones;

La tensión máxima en el centro de la zona de contacto.

a , = 1.5 max .

n-a-b

( 3 . 9 2 )

El punto más peligroso esta situado sobre el eje Z, a cierta profundidad que depende de la relación que existe entre a y b, (b/a).

En el caso de una zona de contacto circular, la tensión máxima en el centro de la zona de contacto, se determina por

c , = - c r J = -1.5 Fn

= - 0 . 3 8 8 - 5 4Fn n • a

E ' ' K (Ri + ^ ) 2 (393) {E]+E2y r:-r¡

En el caso de una zona de contacto rectangular la tensión máxima que actúa en los puntos del eje de la zona de contacto, se deduce mediante la ecuación

c r m i x = 1 . 2 7 ^ = 0 . 4 1 8 2 ? A ^ _ . * L ± * L b M Et+E2 R¡ • R2

( 3 . 9 4 )

4 . Realizar el cálculo de comprobación de la resistencia, bajo la acción de las tensiones de contacto.

La comprobación de la resistencia durante las tensiones de contacto se debe realizar según la tercera o cuarta teoría de resistencia.

Determinación de las tensiones de contacto para los diferentes modelos de Heríz

• Modelo 1 - Rodamiento de bolas (Figura 3.10)

Tensión máxima de contacto:

°"máx = 0.365-np -3 Fn

2 1_ J_ ( 3 . 9 5 )

Si Ei = E 2 = E y pi = p2 = 0 .3 , entonces:

£ 7 m 4 x =0.245 -n -r¡Fn-E¿

R\ y?2 ^3

( 3 . 9 6 )

Modelo 2 - Rodamiento de rodillos (Figura 3.11)


° m á x = 0.365 • « p • Fn V ^ l ^2 ^3 R4 J ( 3 . 9 7 )

V £1 E-

2 \̂

TR1B0L0GIA: Fricción, Desgaste y Lubricación.. 89

Si Ei = E 2 = E y ui = U2 = 0.3, entonces:

< T m á x = 0 . 2 4 5 - - 3 | F « - £ Z • + — + • yRx R2 i?3 RA j

1 1 (3.98)

• Modelo 3 - Dos cilindros que contactan por sus generatrices límites (Figura 3.12)


c r m i v =0.5642-Fn V ^1 ' ^2. j

(3.99)

J / n „ 2 2 A

Si se cumple que Ri = R2 = R, las ecuaciones anteriores se simplifican a:

(3.100) < 7 m 4 x = 0 . 7 9 8 .

Fn R~l

2 >

Si Ei = E2 = E y pi = p 2 = 0.3, entonces:

c r m á x =0.418 Rx + R2

l Rx • R2

(3.101)

Uniendo todas las condiciones anteriores, las ecuaciones toman la siguiente forma:

(3.102) c r m á x =0 .591- , Fn-E

IR

• Modelo 4 - Cojinete de deslizamiento radial (Figura 3.13)


amkx = 0 . 5 6 4 2 Fn

^ R2 - Rx

<R] • R2 j (3.103)

l

\ 2 l

\ \ Ex E2 j

2

Si Ei = E2 = E y pi = p 2 = 0.3, entonces:

Fn • E R2 -R¡ c r m á x =0.418 •

/ R r R 2

(3.104)


• Modelo 5 - Cilindro (Figura 3.14)


•• 0.5642-

Fn JXr

( 3 . 1 0 5 )

Si E I = E 2 = E y u-i = u. 2 - 0 .3 , entonces:

c r m á x = 0 . 4 1 8 -Fn-E l-R

( 3 . 1 0 6 )

Desgaste de los cuerpos sólidos. 91

CAPÍTULO 4 DESGASTE DE LOS CUERPOS SÓLIDOS

4.1 - 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.

Las causas más frecuentemente de los fallos de las máquinas como resultado de la pérdida de la capacidad de trabajo de éstas son las siguientes: Ruptura (rotura) de las piezas debido a la fatiga superficial y disminución de la resistencia. La variación de las dimensiones, forma geométrica y la posición relativa de las piezas como resultado del desgaste de las capas superficiales producto de la acción de nueva cargas. Rotura y deterioro de las piezas debido a la acción de la corrosión y al envejecimiento de los materiales. Disminución de la capacidad de trabajo de las piezas y uniones tribológicas como resultado de la unión recíproca de la cargas externas. Fenómeno de desgaste. Acción de los medios químicos activos.

De todas estas causas la que más influencia tiene en la intensidad de fallos de las máquinas, es el desgaste de los elementos de fricción ( uniones tribológicas).

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/año

En Canadá 4000 millones/año

En Cuba 400 millones/año

La 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 ahorro

Industria Papelera 381.5 100.3

Agricultura 940 232

Transporte Ferroviario 466.8 168.5

92 TR1B0L0GÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación

4.2 - 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. Siempre puede considerarse una primera etapa en la que los órganos en movimiento empiezan a desgastarse muy rápidamente pero decrece en seguida sin comprometer en ningún caso el buen funcionamiento aunque de todos modos es importante tomar en cuenta una serie de precauciones que, si bien parecen de sentido común, tienen decisiva importancia en la vida útil de la máquina. Vigilar el calentamiento, el comportamiento de la carga y la velocidad, así como disponer del lubricante adecuado y en abundancia son alguna de las precauciones a tomar en cuenta durante esta primera etapa.

Una segunda etapa considerada por los tribólogos como de marcha normal, representa de hecho la vida real o útil de las piezas en la que el ritmo del desgaste se reduce al mínimo, es decir es débil o al menos constante. Sobrecargas, errores humanos, medib" ambiente agresivo, deficiente lubricación y otras son las causas que acortan esta etapa.

Posteriormente, en una ultima etapa considerada de envejecimiento y muerte, el desgaste aumenta considerablemente, apareciendo roturas y fallos cada vez más frecuentes.

Definición: El desgaste es un proceso complejo que se produce en las superficies de los cuerpos sólidos debido a la fricción de otro cueipo 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.4.1

Wh

/ I n ra

t

Fig. 4.1- Dinámica del desgaste. 1 - Periodo de asentamiento; 2 - Periodo de desgaste (normal); 3.- Periodo de desgaste catastrófico.

y 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 dé 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. 4.1)

/Desgaste de los cuerpos sólidos. 93

• 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"

4.3 - 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.4.2).

Tipo de agarre Tipo de deterioro

superficial

MECANICO (M)

T E R M I C O ( T )

QUIMICO (Q)

ADHESIVO (Ad)

Ciczallarniento

Deformaciones elastoplásticas Tí

Ruptura de la unión química

Ruptura de la unión adhesiva

Mecanismo de desgaste

ABRASIVO

F A T I G A

MEC-CORROSIVO

ADHESIVO

Fig. 4.2 - 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 §e 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.

La destrucción de las capas superficiales ocurre como resultado del desprendimiento de partículas de desgaste, cuyas magnitudes definen el mecanismo de desgaste que pueda estar predonimando.

Como se puede observar uno de los mecanismo que mayor influencia ejerce sobre de formación de la unión (agarre) de las superficies de fricción resulta el adhesivo. Este básicamente define el tipo de desgaste.

Los estudios experimentales han fomentado el criterio de que existe una zona en la ocurre una transición del mecanismo de agarre adhesivo al triboquímico y lo contrario. Lo anterior está en dependencia de los diferentes factores que afectan a los sistemas tribotécnicos: Presión, velocidad y temperatura.

94 TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación

Para regímenes severos de fricción seca o lubricada, cuando se generan altas temperaturas, la adhesión juega un defínitorio en la formación del desgaste y predetermina la transferencia de masa de una superficie a la otra en el sistema tribotécnico. En un alto grado la adhesión varia la microtopografía de las superficies de fricción, de hecho mientras mayor sea el efecto adhesivo mayor el grado de afectación de la superficie provocando el desprendimientos de considerables volúmenes de material de la capa superficial.

Durante la fricción, y contrario a los fenómenos adhesivos, surgen procesos que traen como consecuencia la formación del denominado tercer cuerpo. Este tercer cuerpo no es más que los productos de desgaste debidos a la interacción químico - física de las finas capas superficiales y el medio circundante. La formación de estos tipos de capas se puede confirmar debido a la existencia de partículas de óxidos durante el proceso de desgaste.

El fenómeno de transferencia de masa de un elemento a otro del sistema está acompañado en todos sus estadios del lleva consigo el arrastre de metal.

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: A D H E S I V O Y M E C A N I C O .

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.4.3); lo cual constituye la causa primaria de la adhesión.

Fig. 4.3 - Proceso de deformación plástica de las asperezasfarrugado 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. 4.3)

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.4.4).- La cantidad de material transferido es pequeña a pesar de que la fricción puede ser alta.


Fig. 4.4 - Fricción por cizallamiento. 1 y 2 material base; 3-interfase.

• Fricción por soldadura.- La unión adhesiva es mas resistente que uno de los materiales base ( Fig.4.5 ); 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.4.5), en este caso la ruptura ocurre por los materiales ocurriendo la transferencia de material de uno al otro.

Fig. 4.5 - 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. 4.6).

Fig. 4.6- 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 Veees 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.4.7) y una zona de tracción detrás de la aspereza; trayendo por consecuencia la fatiga de las capas superficiales.

Fig. 4.7 - 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..4.8). Se establece que el microcorte ocurre cuando h/R > 0.1.

Fig.4.8 - Modelo del proceso de macrocorte.

• Deformaciones plásticas de la macrogeometria - Se produce en los casos de uniones de rozamiento sometidos a grandes cargas ( a c > a y ); velocidades lentas y materiales de baja dureza; en este caso solo hay variación de la macrogeometria (Fig.4.9).

Fig. 4.9 - Macroderfomacionesplásticas.

4.4 &INDICADORES DEL DESGASTE La 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

dicadores:

Desgaste lineal (Wh, ¡um): 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, microscopios 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 ( I n ) .

(4.D Sf

•JDesgaste volumétrico (Wv, mm^).: 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.

Wv = W„A„ (4.2)

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:

h = ~ (4-3)

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.

Ig = Ih = -s--~~ (4.4)

donde:

Wg - desgaste por diferencia de peso (mg) An - área normal de la superficie de contacto ( cm 2 )


y - peso específico del material g/cm 3

S- Recorrido de fricción en K m

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.

1 « * » * enerva « , ^ <U, La densidad energética de. desgaste se utiüza fundamentalmente para evaluar materiales de frenos, embragues, etc. Esta relaciona el desgaste volumétrico y el trabajo de fricción.

/ . = W v ( m m 3 / N - m ) (4.5) / FfSf

¡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) .

: — (4.6) W

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.

W, * — (4.7)

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.

W' = — (4.8)

4.5 - MÉTODOS EXPERIMENTALES PARA LA DETERMINACIÓN DE LOS VALORES ABSOLUTOS DEL DESGASTE

A pesar de ser estos los indicadores fundamentales del desgaste, existen otras formas o métodos que permiten de un modo u otro cuantificar el desgaste. Dentro de estos aparecen:

Determinación del desgaste con ayuda de rugosimétro. Este método consiste en la toma de perfilogramas en una misma microsección antes y después del ensayo de fricción. La ventaja fundamental de este método es la posibilidad que brinda de poder determinr valores muy pequeños de desgaste con alta exactitud. Este método se utiliza para investigaciones científicas.

En los perfilogramas los contornos de los valles siguen siendo constantes y la altura de las crestas como resultado del desgaste, varia. Determinado la disminución total de la altura de los picos, desde la línea de los valles, obtenemos el valor del desgaste inicial. En el caso de que esta altura se aproxime a la altura de las microirregularidades en calidad de base constante se selecciona una zona libre (no de trabajo)de la superficie estudiada y a partir de esta se realizan las mediciones.


La utilización de este método permite obtener gráficamente el estado de la superficie de desgaste, posibilitando valorar la distribución del desgaste por la superficie estudiada, en los limites de recorrido de la aguja del rugosímetro.

En la figura 4.9 se muestra el perfilograma que fue tomado de una sola pasada de la aguja. Se tomó el perfil de una zona sin fricción, de una zona de fricción y, de nuevo, de la zona sin fricción. El valor medio del desgaste es fácil de determinar, si se conoce el valor vertical de la escala de ampliación del perfilograma.

Durante la utilización de este método debe tomarse en cuenta la longitud del recorrido de la aguja del perfilógrafo o rugosímetro.

Fig. 4.10 - Perfilograma para la determinación del desgaste: A-A: Superficie inicial; B-B: nivel del fondo de la profundidad desgastada (superficie después del ensayo)

Determinación del desgaste mediante el método de bases de medidas artificiales. La determinación de los valores absolutos del desgaste mediante este método consiste en la realización de huellas sobre la superficie estudiada y la posterior determinación de las dimensiones que existen desde la superficie de fricción hasta el fondo del ahondamiento hecho en estas superficies y regularmente estrechado desde la superficie hasta el fondo de la cavidad.

La profundidad de la huella en la superficie en la superficie puede ser realizada con instrumentos de diamantes en forma de pirámide o cónica a presión , barrenado cónico, corte de la superficie con cuchilla de diamante giratoria , afilada en forma de pirámide triangular o realización de la huella con disco abrasivo.

En la figura 4.11 se muestran diferentes formas geométrica de cavidades que se realizan en la superficie.

El fondo de la huella actúa como una base de medida invariable desde la cual se mide la distancia que existe hasta la superficie de fricción. Tomando en cuenta que la variación de la longitud de la huella esta relacionada con la profundidad, se puede definir la magnitud del desgaste lineal.

El método de base de medida artificial, en función del método de realización de la huella , se divide en los siguientes:

Fig.4.11 - Formas de las bases de medidas: a - segmento circular; b - cono; c- Pirámide de base romboidal; d - Huella formada por dos hiperboloides;

e - Huella cilindrica; f - Pirámide de base cuadrada


• Método de las huellas. El método de la huella consiste en la realización de huellas en la superficie con la ayuda de cualquier inductor de forma geométrica conocida, el material del inductor es preferentemente el diámetro, aunque también se pueden utilizar aleaciones duras.

Tomando en cuenta la longitud de la diagonal de la huella hecha en la superficie de fricción , no es difícil mediante el cálculo , determinar la distancia que existe entre dicha superficie y hasta el fondo de la huella ; esto se logra midiendo la longitud de la diagonal antes y después del ensayo con la ayuda de un microscopio , el cual permite leer valores considerablemente pequeños del desgaste lineal (en el orden de los micrómetros).

Las huellas además pueden ser realizadas con la ayuda de durómetros del tipo Brinell, Rowelts y otros equipos especiales para estos fines.

Generalmente, la dimensión de la diagonal utilizada para la determinación de los valores absolutos del desgaste no sobrepasa de un milímetro.

Para la determinación de los valores absolutos del desgaste se han creado ecuaciones que permiten determinar la profundidad de las huellas realizadas con las pirámides de base cuadrada y romboidal en cualquier superficie, en las siguientes figuras se muestran las formas de las huellas realizadas con inductores en forma de pirámide de base cuadrada y romboidal.

Fig. 4.12 - Forma de la huella realizada con una pirámide de base cuadrada

La profundidad de la huella realizada con la pirámide de la base cuadrada (Fig. 4.12) se calcula según la ecuación siguiente:

donde : h - profundidad de la huella; a - ángulo existente entre las caras opuestas de la pirámide

d - longitud de la diagonal

En la figura 4.13 se muestra la forma de la huella para el caso en que se emplea una pirámide de base romboidal.

1 .d (4.9)

Figura 4.13 - Huella realizada con una pirámide de base romboidal.


La profundidad de la huella realizada con la pirámide de base romboidal será;

h = ( - i - ) l = ( — )b (4.10) 2 « 8 f 2 , g r

donde: 1- diagonal mayor de la base de la pirámide; b - diagonal menor de la base de la pirámide

P - ángulo entre las aristas mayores de la pirámide; y- ángulo entre las aristas menores de la pirámide.

En los Estados Unidos De América , para la determinación de los valores absolutos del desgaste mediante a partir de huellas realizadas con pirámide , el valor de los ángulos entre las aristas mayores y menores, es de p=170 30' y y =130 , en este caso :

h= ( — 1 — ) . l = ( — 1 — ) . b (4.11) 30.514 4.289

A la hora de aplicar este método es necesario tener en cuenta el tipo de superficie sobre la cual se ha realizado la huella.

La magnitud del desgaste lineal de superficies planas se define como la diferencia que existe en la profundidad de las huellas antes y después del ensayo:

A h = h i - h 2 = - - ( d d - d 2 ) (4.12) m

donde:

A h - desgaste lineal; h¡ - profundidad de la huella antes del ensayo; h 2 - profundidad de la huella después del ensayo; di - longitud de la diagonal de la huella obtenida con la pirámide de base cuadrada antes del ensayo; d 2 - longitud de la diagonal de la huella obtenida con la pirámide de base cuadrada después del ensayo y m - coeficiente de proporcionalidad (valor constante a todo lo largo de la profundidad de las huellas realizadas con la pirámide).

Para las huellas realizadas con la pirámide de 136 el desgaste lineal será igual a :

A h = ^ ( d , - d 2 ) (4.13)

Las ecuaciones anteriores son validas en los casos en que las huellas se hayan realizado en materiales metálicos, donde predominan las deformaciones plásticas, no obstante, también encuentran aplicación en materiales no metálicos

A l realizar la huella el eje del inductor debe estar perpendicular a la superficie estudiada, si este eje está inclinado en relación con la superficie, la huella toma una forma irregular y al determinar su profundidad es necesario realizar una corrección

El método de las huellas se utiliza para determinar los valores absolutos del desgaste en superficies cilindricas, cóncavas o convexas, para esto es necesario usar las ecuaciones siguientes

Para superficies cóncavas

A h = ( i z i ) _ ( í z ^ )

m SR (4.14)


para superficies convexas

m SR (4.15)

donde: A h - desgaste lineal de las paredes del cilindro; di y d 2 = longitud de las diagonales antes y después del ensayo y R - radio del cilindro para calcular la profundidad de las huellas es necesario medir la diagonal y no la distancia de sus caras opuestas, debido a que al desaparecer la carga el metal se deforma elásticamente y al final la forma geométrica de la huella se diferencia de forma geométrica del inductor.

Los estudios realizados han demostrado que las aristas de las pirámides se deforman menos que la línea que pasa por el vértice y el medio de los limites

• Método del punzonado En condiciones de explotación la determinación de los valores absolutos del desgaste en las zonas de difícil acceso no es posible sin la utilización de instrumentos especiales. En este caso es beneficioso utilizar el método de las huellas mediante el punzonado. El mismo se basa en la realización sobre la superficie de la pieza estudiada de una huella mediante un inductor cónico (Fig.4 14).

Fig.4.14 - Huella realizada con un inductor cónico

El inductor cónico del tipo punzón con un ángulo de 120 - 140 se construye de una aleación dura o acero templado. EL valor absoluto del desgaste lineal se calcula por la ecuación siguiente:

a A h = 0.5 A d tan ( 9 0 - ^ ) (4.16)

donde: h - desgaste lineal; Ad - diferencia de diámetro de la huella y a - ángulo del cono

Cuando el ángulo a = 120 , el valor del desgaste lineal se obtiene de la forma siguiente:

A h = 0.288 A d (4.17)

La ventaja de este método , para la determinación del desgaste , es que tiene como consecuencia una alta sensibilidad a la suciedad de la superficie.

• Método de barrenado En ocasiones se utiliza el método de barrenado, este consiste en la realización de huellas sobre la

o o _

superficie de fricción con una barrena de aleación dura , con un ángulo de 120 -140 (Fig. 4.14).

Fig.4.15 - Huellas realizadas con barrenas de aleación dura.


Este método es análogo al antes mencionado y el desgaste para superficies planas se determina como:

A h d,

m (4.18)

donde: di y d2 - diámetro del agujero antes y después del ensayo; A h - desgaste lineal

Si las superficies de los cuerpos ensayados son cilindricas el valor del desgaste se calcula como:

A h = ( 4 d 2 ) ± (

d \ ~ d l )

m SR (4.19)

El signo (+) se utiliza para superficies convexas y el (-) para superficies cóncavas

Las mediciones de las diagonales con ayuda del microscopio antes y después del desgaste, permite determinar los valores absolutos del desgaste con un grado de precisión en el orden de las mieras. La ventaja mayor del método es su alta precisión en las mediciones y su mayor desventaja es el aplastamiento del borde de la superficie de la huella.

• Método de las muescas. Este método consiste en la realización de una huella en la superficie de fricción con la ayuda de un instrumento de corte giratorio, dicha huella posee una forma determinada. Conociendo el radio de la cuchilla y midiendo la longitud de las muescas se puede calcular su profundidad. El fondo de la muesca actúa como una base de medida constante. La diferencia de medida que existe desde la superficie de fricción hasta el fondo de la muesca determinadas antes y después del ensayo, da la magnitud del desgaste lineal (Fig. 4.16).

Ah

h— h2

Fig.4.16 - Huella realizada con una cuchilla giratoria

La magnitud de la muesca se determina con la ayuda de un microscopio.

Las muescas se realizan con una cuchilla giratoria de diamante afilada en forma de pirámide de base triangular (Fig. 4.17).

Fig. 4.17- Forma de realización de la huella

La exactitud de las mediciones mediante el método de las muescas es considerablemente mayor que el método de las huellas, debido a que la relación existente entre su profundidad y longitud se encuentra en el rango de 1:50 — 1:80, mientras que en el método de las huellas la relación es de 1:7.

104 TR1BOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación

Para este método se recomienda las siguientes dimensiones de las muescas

Profundidad, (um) Longitud, (mm)

20.8 1.0

48.0 1.5

83.0 2.0

La determinación de los valores absolutos del desgaste con muescas realizadas en diferentes superficies se calcula por las ecuaciones siguientes:

- para muescas realizadas en superficies planas

A h =0,125 ( L f - L ^ ) - (4.20) r

- para muescas realizadas en superficies convexas

Ah-0 ,125 ( L f - L j X " + - ) (4.21) r R

- para muescas realizadas en superficies cilindricas cóncavas

Ah=0,125 ( L , 2 - L j ) ( - - - ) (4.22) r R

donde: A h - Desgaste lineal; L i y L 2 - longitud de la muesca antes y después del ensayo; r - radio de la cuchilla; R - radio de curvatura de la superficie estudiada.

• Determinación de los valores del desgaste por el contenido de productos de desgastes en los lubricantes usados o de desechos.

Este método generalmente se utiliza durante ensayos en bancos de prueba. Su esencia es la siguiente:

Los productos de desgaste ( partículas metálicas y sus óxidos) atraídos (arrastradas) por el lubricante se recogen y se toma de ellos una muestra la cual se quema y en función del contenido del metal que queda se valora el desgaste. Para lograr retener estas partículas de desgaste en algunos países usan mantas imantadas en el fondo de los elementos que se están estudiando. Ej. En el corte de los motores, reductores, máquinas - herramientas, etc.

• Determinación del desgaste utilizando los isótopos radiactivos. Este método consiste en la colocación de un isótopo radiactivo en la probeta investigada, durante el proceso de desgaste la probeta se baña con aceite el cual elimina los productos de desgaste conjuntamente con el isótopo radiactivo. Este método permite estudiar el desgaste de unas cuantas piezas, mecanismos o máquinas al mismo tiempo. La desventaja principal de este método es la dificultad de preparación de las nuestras y la utilización de equipamiento especial para la medición del desgaste.

• Determinación de los valores del desgaste con la utilización de indicadores de carátulas^ Este método esta fundamentado con la medición del desgaste de las muestras o probetas durante el período de ensayo con indicadores de carátulas los cuales se fijan con una presión determinada y pueden registrar la valoración de la dimensiones ( desgastes) de las probetas sin parada o con parda de la máquina de fricción en la cual se realiza el ensayo.


• Determinación del desgaste con la utilización de captadores inductivos. Este método se basa en el desplazamiento del núcleo del inductor debido al desplazamiento de la probeta producto del desgaste de la misma. Como resultado de esto varían las holguras entre el núcleo y el electromagnético que influyen sobre el valor del coeficiente de inducción de los electromagnéticos en el esquema del tipo previsto. El desgaste se puede registrar con la utilización de indicadores gráficos

* 4.6- TIPOS DE DESGASTE, r 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. La existencia de diferentes tipos de uniones de fricción y el poder afectar éstas a distintas áreas, las distintas formas de rotura y los variados tipos de deformaciones conducen a la existencia de distintos tipos de desgaste; es necesario, por tanto, considerar cada caso particular, para poder llegar al conocimiento del mismo. 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.

Considerando los factores de acción externa el desgaste se puede clasificar se puede clasificar en: Desgaste por deslizamiento lubricado y seco.

Existe otra forma de clasificar el desgaste la cual considera en un caso la naturaleza de la interacción de las superficies durante la fricción y en otro - la naturaleza de los procesos que tienen lugar en las capas superficiales. De modo general esta clasificación incluye: Desgaste abrasivo o microcorte, corrosivo, fatiga superficial, así como otros mecanismos de desgaste poco comunes.

El profesor Kosteshki B . I . da una clasificación basados en factores heterogéneos. Estos factores diferencian los siguientes tipos de desgaste: Desgaste adhesivo severo, desgaste por oxidación, desgaste térmico, abrasivo y adhesivo.

Kragelski I .V desarrolló una clasificación del desgaste a partir de la consideración de tres factores dependientes los unos de los otros: Uno, formación de la unión (agarre) durante la fricción, dos, cambios y variación de la unión, y tres, destrucción de la unión. *

La naturaleza de la destrucción de los enlaces de fricción depende de los factores geométricos, mecánicos, físicos y químicos formándose de manera general cinco formas de unión de la superficies de rozamiento.


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.

Una de las clasificaciones más exacta es la propuesta por Piterson M.B . realizada a partir de la naturaleza de las partículas de desgaste que se desprenden de la superficie de los cuerpos durante la fricción. Este autor considera que resultan definitorios, la fatiga superficial y la magnitud del desprendimiento de partículas. Esta clasificación generalmente es válida para la fricción seca. El propio autor considera que el desgaste que como consecuencia de las propiedades del lubricante tiene lugar, no ha sido debidamente estudiado.

Los procesos deformacionales que tienen lugar en las microirregularidades de las superficies en contacto están en dependencia de las presiones que se origen en las áreas reales de contacto. Si el valor de estas presiones no alcanzan el límite de fluencia del material más blando las deformaciones que predominan son elásticas y el mecanismo de desgaste predominante es el de fatiga superficial.

Si contrario a lo anterior se tiene que el valor de las tensiones alcanza o sobrepasa el límite de fluencia del material más blando las deformaciones predominantes serán las plásticas, y el desgaste se produce como consecuencia del microcorte, ocurriendo la ruptura de las mismas desde las primeras interacciones.

Todas las variantes de clasificación del desgaste antes mencionadas, se pueden considerar más bien dinámicas y cuando más físicas debido a que no consideran el estado dinámico de las capas activas durante la fricción.

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 4.1).

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.

Una 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 4.1 - Clasificación de los tipos de deterioros superficiales y el desgaste. ETAPA I ETAPA I I ETAPA I I I Tipo de agarre superficial Tipo de deterioro superficial Mecanismo de desgaste superficial

MECANICO (M) CIZALLAMIENTO ABRASIVO TERMICO (T) DEFORMACIONAL FATIGA SUPERFICIAL QUIMICO (Q) ADHESIVO ADHESIVO ABSORCION (Ab) TRIBOQUIMICO MECANICO - 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.

Desgaste erosivo.

5 %

8 %

Desgaste por oxidación dinámica.

Desgaste por fatiga y otros tipos.

8%

1 4 %

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 4.18.

Durante el desgaste de tipo 1 (ver figura 4.18) 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.

El 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.

Recorrido de fricción (S f )

Fig. 4.18- Dinámica de la velocidad del desgaste adhesivo.


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 produciéndose prácticamente transferencia de metal y la superficie desgastada aparece pulida. Se presenta en materiales de alto grado de incompatibilidad metalúrgica (k = 10" 6 •*• l O ' 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.4.19); con los siguientes parámetros.

Fig. 4.19 - Modelo físico de la superficie desgastada durante el gripado.

Profundidad de la capa destruida h < 100 pm.

Tamaño de la partícula de desgaste d = 2 - 20 pm.

Razón de desgaste. N . W'= 1 - 5 pm/h

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

Densidad de energía aparente e* = 10^-10 3 N-m/

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

Tensión de rotura de la unión T n = 1 0 3 - Í O - 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 microgeométria superficial y de composición química; la compatibilidad metalúrgica; las velocidades lentas (aceros V<lm/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.4.20) con los siguientes parámetros:


Fig. 4.20 - Modelo físico de la superficie del desgaste profundo.

Profundidad de la capa destruida.

Tamaño de la partícula de desgaste

Razón de desgaste

h < 500 pm.

d = 20 - 200 pm.

W' = 5- 15 pm/h.

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

Densidad de energía aparente e* = 1Q4-101 N-m/

Intensidad lineal del desgaste I h = 10" 7 - ÍO- 3

Tensión de rotura de la unión T n = 10 3 - 10 2 Mpa

Un aspecto importante a considerar durante el análisis durante el estudio 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 los materiales. Por ejemplo: Par hierro fundido perlifico - hierro fundido perlifico 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.

(4.23)


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 (o 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.

Los intentos por integrar los diferentes grupo de factores que sobre el desgaste abrasivo tienen influencia con la formulación de un criterio general que considerara tanto la dureza como el módulo de elasticidad no llevó a resultados positivos.

En la actualidad se plantea que los criterios para evaluar la capacidad de resistencia al desgaste abrasivo de los materiales deben incluir además parámetros tales como: Coeficiente de fricción, las características de fatiga de los materiales y la consideración de la magnitud de las deformaciones.

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 óptima 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. 4.21; 1- acero; 2- Bronce).

W v , m 20 50 100 da,|_um

Fig. 4.21 - Influencia del tamaño de partícula 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. 4.22).

30

20


0.2 0.6 1.0 H B m / H B a

Fig. 4.22 - Relación entre la resistencia al desgaste y la relación de dureza del material y el abrasivo.

En la figura 4.22 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.4.23).

h /R> 0 .1a o > a

Fig. 4.23 - Mecanismo de microcorte.

rol Ha > H r (4.24)

• 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.4.24).

h /R<0 .1

Fig. 4.24 - Mecanismo del rayado abrasivo

a y < a c < a r o t (4.25)


Tipos de desgaste abrasivo

En 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 microcorte Se produce cuando las asperezas del cuerpo penetran en el cuerpo blando una magnitud superior a un valor crítico.

h 1 — > — R 2

f \ 1 - 2 - ^

CTrot7 (4.26)

Se caracteriza por la generación de partículas de desgaste en forma de limallas o virutas. (Fig.4.11)

k = 2*10"! - 10" 3.

I h = 1 0 - 7 - 10-2.

e* = 10 3 - 1 0 N - m / m m 3 .

x n = 10 3 - 10-2 MPa.

• Desgaste contaminante - abrasivo por deformaciones plásticas Se produce cuando h/R no cumple la relación establecida en la expresión (4.26).

Se caracteriza por el rayado de la superficie, sin desprendimiento de partículas de desgaste (Fig.4.24).

En este caso:

I h = 10-9- iQ-4.

e* = 10 5 - 10 2 N-m/mm3;

T n = 10 3 - 10-2 M p a

• 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 civi l .

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

Hm/Ha > 0.6 (4.27)

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 pm/h

- Densidad de energía aparente e* = 10^-10^ N - M / m m 3


• Desgaste en masa abrasiva forma mecánica Se 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 pm/h

- Densidad de energía aparente e* = 102 - 10 N - m / m m 3

• 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:

Si se varia la dureza de uno de los materiales (Hi ó H 2 ) de la unión de rozamiento varia la W r j ;

los mayores desgaste se producen cuando H1 « H 2 .

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

DESGASTE ABRASIVO POR IMPACTO El 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.

La veracidad del surgimiento del desgaste abrasivo por impacto para una referida dinámica de interacción de las superficies de impacto, resulta la forma y característica del macro relieve de la superficie de desgaste.

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.

W D = M _ _ ( H i + H 2 ) (4.28)

k = 7-10"3 . 5*i()-4 = a _ a concentración de partículas,

k = 5-10 - 4 - 1CT5 = baja concentración de partículas,


• 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. 4.25).

/,4/t/ A/

Fig. 4.25 - 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. 4.26).

Fig. 4.26- 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. 4.27).

Fig. 4.27 - 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. 4.28).

(0 v ¡

Fig. 4.28 - 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. 4.29).

Fig. 4.29 - 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 bástagos de los molinos de cabillas destinados a la trituración de abrasivos de determinada granulometría.

DESGASTE POR FATIGA SUPERFICIAL

La 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.

116 TRJBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación

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.

Algunos autores han demostrado que existe una estrecha relación entre la intensidad del desgaste por fatiga y el límite de fatiga del material de los elementos del sistema tribológico.

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 estabilización.

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" (n_).

(4.29)

v at J :

La tensión friccional T f se determina según la siguiente expresión:

t f - (3f P r (4.30)

B - Coeficiente que se toma igual a:

(3 = 2 materiales de alta elasticidad.

(3 = 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

I h = 1 0 _ l 3 - 1 0 - 7 ; la densidad de energía aparente

e* = 1 0 9 - 1 0 6 N - m / m m 3 ; el número de ciclos para la fatiga

nk= 10 5 - 10 8 .

http://tensional-deformacional.de


• 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:

t

n P

:

VEf/ 1

(4.31)

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

E f = C f tg 9 (9)

donde C = 0.01 - 0.05; y 9 = 5 - 10° ángulo de inclinación de las asperezas.

Los parámetros que caracterizan este tipo de desgaste son:

Ih = 10" 7 - ÍO- 5 .

e* = 1 0 6 - 10 4 N - m / m m 3 .

n p = 102 - 10 4 .

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 4.2 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 4.2 - Clases de resistencia al desgaste de pares

Clase de resistencia

Intensidad del Desgaste, Ih Tipo de interacción de contacto

Clase de resistencia de hasta

Tipo de interacción de contacto

Cero io- 1 3 IO"12

Elástica Uno IO"12 10"" Elástica Dos 10"" I 0 - io

Elástica

Tres 1 0-,ü 10"9

Elásto - Plástica Cuatro 10"y IO"8 Elásto - Plástica

Cinco IO"8 IO"' Plástica Seis ío-' 10"6 Plástica

Siete 10"6 IO"5

Plástica

Ocho IO"5 10"4

Microcorte (rayado severo y suave)

Nueve IO"4 IO'3 Microcorte (rayado severo y suave)

Diez IO"3 IO"2

Microcorte (rayado severo y suave)

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.

El 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:

donde:

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 4.23 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

4.7 - FACTORES QUE DEFINEN EL DESGASTE

(4.32). o


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.

R E.n

/ A = 0 , 7 f _ ( 4 . 3 3 )

Para el contacto plástico.

( 4 . 3 4 )

donde: Ih - Intensidad lineal del desgaste; or - 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.

7„ = M - * . , ( 4 . 3 5 )

e

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.

K-p

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.


e.M-f.p

Ph*HV En este caso X, es el constante de desgaste que según el autor para todo los materiales es igual a X

= l,295.1fj2 mol / m 3 , M - masa molecular del material, s - elongación, H V - dureza del material y p- 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.

L = cP" (4-38)

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).

Estudios importantes han sido realizados por Lancaster, J. K., relacionando el volumen de material desgastado con el recorrido de fricción durante el periodo de desgaste. Este autor observó que durante el periodo de asentamiento el desgaste de los polímeros depende fundamentalmente de la rugosidad del contracuerpo, ocurriendo el deterioro de la superficie con una elevada velocidad de desgaste, que disminuye en lo posterior debido al pulido del contracuerpo y transferencia de finas películas de material desde una superficie hacia la otra.

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 (A) varía en un amplio rango 10~3< A<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" >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 4.30 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.


u 100 300 500 t,h Fig. 4.30- Variación de la intensidad del desgaste en el par textolita - acero. 1- Ra=10 pm; 2- 0.7pm; 3- 0.4 pm 4- 0.2pm.

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=So/Ho. En la figura 4.17 se muestra la influencia del parámetro K sobre la intensidad del desgaste.

0.4

0.3

0.2

100 300 500 t,h Fig. 4.31 - 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 (co).

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 4.18.

a) w % b) w % c) w % Fig. 4.32 - Influencia de la humedad relativa (co,%) 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 lm/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 1 MPa.

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 4.19. '•


7

6

5

4

í

2

1

O 20 40 60 SO %

Fig. 4.33 - 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 Fe203). 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.

Como resultado del incremento de la velocidad de deslizamiento ocurre un incremento de la temperatura de las capas superficiales como resultado ocurre una disminución de la humedad relativa real y con ello una acelerada disminución de la velocidad de desgaste.

• 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 (X) descrito en el capítulo dos.

La fricción representa las pérdidas energéticas en la zona de contacto. El efecto mayor de la fricción es la energía disipada y como resultado las altas temperaturas en la región de contacto.

/, mm/Km


En la zona de fricción fluida no existe contacto directo entre las superficies o el mismo es muy leve por lo tanto la fricción es muy baja (f= 0.002-0.01), lo que propicia que no haya desgaste o que este sea muy pequeño.

Tanto en la lubricación mixta (f= 0.01- 0.2) como en la de capa límite (f= 0.05 - 0.8) hay u n i n c r e m e n t o de la fricción debido a la disminución del el número de Sommerfeld, incrementando la energía disipada. Es decir debido a la escasa lubricación o ausencia total de e s t a i n c r e m e n t a e l

calor generado por la fricción. Para estos estados de fricción la lubricación puede llegar a s e r poco efectiva y en ocasiones esta no existe.

Durante la fricción el lubricante tiene la función de disminuir el calor disipado y por consiguiente la disminución de la temperatura en la zona de contacto aun cuando la lubricación no es del todo efectiva.

Desde el punto de vista del desgaste la disminución de la temperatura con el empleo de lubricante resulta ventajoso entre otras porque en primer lugar disminuye el grado de incidencia del desgaste adhesivo, el cual tiene lugar a altas temperatura. En segundo lugar se logra disminuir o atenuar el desgaste abrasivo. A altas temperaturas el coeficiente de dureza aumenta por lo que la abrasión del material más duro sobre el más blando incrementa. En tercer lugar hay que señalar que con el incremento de la temperatura aumenta el desgaste por fatiga superficial, de ahí que la disminución de la temperatura en la zona de contacto tienda a disminuir la fatiga superficial.

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. Específicamente para reducir el desgaste a los lubricantes se le adicionan sustancias tensoactivas. Estas sustancias se conocen como aditivo antidesgaste el cual tiene la propiedad de adherirse a la superficie para formar una película que es más resistente que el propio lubricante, dando lugar, por consiguiente, a una mayor resistencia a la penetración y reduciendo el desgaste bajo condiciones medias estables. Un segundo tipo de aditivos, llamado de extrema presión, aparentemente reacciona con la superficie metálica que ha estado afectada por él desgaste, y evita la soldadura con la superficie del otro cuerpo. Esta es una vía para prevenir el rayado severo de las superficies de contacto.

Los líquido o grasas lubricantes normalmente no son muy efectivos bajo condiciones de desgaste fretting, no sucediendo lo mismo con los lubricante sólidos, sobre todo.los basados en disulfuro de molibdeno, que por lo general ante esta situación son los mas usados.

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.

La degradación del lubricante acelera su incidencia directa sobre el desgaste. Se degradarán los lubricantes que estén sometidos a temperaturas excesivamente altas, y varias son las formas en la que los lubricantes degradados contribuyen al incremento del desgaste.

Lo más frecuente que ocurre durante la degradación de un lubricante es la formación de una sustancia resinosa o laca que incrementa la fricción y la adhesión durante el deslizamiento relativo de los cuerpos en contacto. Estas sustancias pueden conducir al incremento de la temperatura y cargas variables, y del grado de deterioro causado por el desgaste.

La severa degradación del lubricante, sobre todo de materiales inorgánicos así como siliconas o algunos espesantes de grasa, pueden originar productos de degradación en forma de abrasivos sólidos, los que de manera directa producen la abrasión de las superficies deslizantes. A pesar de esto se ha confirmado que esto dista de ser un problema práctico importante.

Estas situaciones ocurren ocasionalmente para deslizamiento a temperaturas extremadamente altas, tanto como 1000°C o mas. Algunos sistemas han sobrevivido a temperaturas altas intermitentes sin causar considerable deterioro superficial en ausencia del lubricante. Sin envargo en estas condiciones, la presencia de pequeñas cantidades de lubricante pueden producir calburización de las superficies de acero. Como resultado se origina una superficie rugosa muy dura que provoca danos severos.

Los lubricante contienen a menudo materiales que reaccionan químicamente con una superficie de metal, y la capas superficiales desarrolladas normalmente se desgastan más fácilmente que el propio metal o sus óxidos. Así, bajo condiciones de mediana abrasión el coeficiente de desgaste puede incrementarse debido al ataque corrosivo no severo.

Los aditivos de extrema presión pueden causar el incremento del desgaste bajo condiciones de mediana abrasión ya que estos son poderosos reactivos químicos. El agua presente en el lubricante puede tener un efecto similar.

Un efecto muy nocivo del lubricante está en su capacidad de atrapar las partículas abrasivas libres evitando que las mismas salgan de la región del contacto. Las partículas abrasivas atrapadas bajo la acción de las cargas repetitivas se pueden fracturar y dar lugar a asperezas más afiladas. El efecto global es la formación de una pasta abrasiva que puede causar un deterioro severo.

El acercamiento a la solución de los problemas prácticos de lubricación cuando la presencia de polvos o partículas abrasivas es eminente puede ocurrir por tres posibles vías:

a) Evitando los sistemas no lubricado. En superficies no lubricadas las partículas abrasivas tienden a no salir de la región del contacto.

b) Si la lubricación es esencial, use un flujo de aceite abundante que permita eliminar las partículas abrasivas, así como sistemas de filtros que eliminen las partículas abrasivas del aceite.

c) Si ninguna de las consideraciones anteriores fueran posibles, es decir, si se quiere evitar la fricción seca y los lubricantes líquidos y semisólidos no garantizaran la adecuada película lubricante, considere el uso de lubricante sólidos. Esto puede reducir la fricción en la región de contacto, pero normalmente no reducirá la presencia de partículas abrasivas.


• 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.

De 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 pm 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 tribológico

Los 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 (a r ,

fjy, 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 (o"r), indicador de la curva de fatiga (t), coeficiente de fricción (/), 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. La variación del indicador de la curva de fatiga con la temperatura no ha sido del todo estudiada por lo que la determinación de este debe realizarse para temperaturas cercanas a las existentes en el par real de fricción.

• 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. Resultan beneficiosos para la unión aquellos pares de materiales que produzcan la menor adherencia entre las superficie de las uniones deslizantes. Los de menos enlaces, los de menor número de puntos posibles a soldar; los de más débil enlace, los de menor tendencia a la trasferencia de material de una superficie a la otra. Para satisfacer estas condiciones se ha definido que el par de deslizamiento debe:

a) Ser mutuamente insoluble

b) Que uno de los materiales tenga al menos un metal del grupo - subalterno B de la tabla periódica.

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 4.3, 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 4.3 - Resistencia al agarramiento de diferentes metales formado un para con el acero AISI 1045 Buena Regular Pobre Muy pobre

Germanio* Carbón* Magnesio Berilio Molibdeno Plata* Cobre* Aluminio Silicona Radio

Cadmio* Selenio* Cobre* Calcio Paladio Indio* Cadmio* Zinc* Titanio Cerio

Estaño* Telurio* Bario Cromo Tantalio Antimonio* Tungsteno Hierro Iridio

Talio* 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 d e f o r m a c i ó n p l á s t i c a ( s i n

d e s p r e n d i m i e n t o 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. A l 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. A l igual que en el microdesgaste en las superficies surgen surcos, rayaduras, grietas, etc., provocado por fenómenos abrasivos más severos que el microdesgaste.

El paso de un tipo de desgaste a otro trae consigo una variación considerable de la calidad de las superficies bajo la cual estas de manera no perceptible se deterioran y como resultado las piezas se destruyen y salen de servicio.

En la figura 4.34 se muestra el esquema de clasificación de los tipos de desgaste en dependencia de las propiedades del materia! lubricante.


Calisificaión del desgaste

4= Desgaste químico

formación y destrucción de capas de óxidos

formción y destrucción de capas jabonosas

í b r m a c i ó n y destrucción de capas orgánicas

Desgaste Abasivo Desgaste físico

corteproducido por las partículas de desgaste

micro deformación plástica de las asperezas

corte producido por partículas de oxido

corte producido por ~ productos de la combust ión

corte producido por partículas minerales

fatiga superficial de las asperesas

cizallamiento de las suprficies adheridas

adhesión de las superficies en contacto

difüción del metal, de las superficies comprimidas

Fig. 4.34 - 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.

Es por ello que no se puede hacer de manera formal una clasificación sobre los tipos de desgaste que como resultado de las propiedades de los lubricantes pueda estar teniendo lugar, ha de recordarse que el desgaste es un fenómeno natural sumamente complejo, que depende de un gran número de factores que al unísono interactúan.

Los factores antes descritos definen la magnitud y ritmo del desgaste

4.8 - DIAGNOSTICO DEL DESGASTE El 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:

3HB.I h

K = P „

( 4.39)

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 lubricación 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.

e w.

N-m

mm (4.40 )

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

f-P. N-m 3

mm (4.41)

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.

4.9 - 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 éste periodo y se alarga la vida útil.

Esto no puede asegurarse, significando tan solo la clase dé rugosidad superficial requerida, sino también, el método de maquinado que debe emplearse, además la rugosidad longitudinal difiere de la transversal y deben especificarse ambos " • . ' • • * ' •

El efecto de la dirección de las asperezas en el desgaste puede variar según los' indicadores de operación y los propios valores de rugosidad. En la fricción fluida con alturas pequeñas de las asperezas no hay influencias, pero al ser mayor esa altura, la dirección paralela a la dirección del movimiento se hace más beneficiosa. En condiciones de fricción limite, con alturas pequeñas, la dirección paralela al movimiento provoca mayor desgaste que la perpendicular, pero cuando la altura es mayor y no se provoca agrandamiento de la paralela, da el desgaste mínimo.

El ondeado influye grandemente en el desgaste de geometría en 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.

iii parte_tribología_fricción, desgaste y lubricación by emilio augustu Álavarez.pdf

Documents