TRIBOLOGÍA : Disciplina de la ciencia que se encarga del estudio el movimiento relativo de los cuerpo en

contacto

FRICCIÓN

DESGASTE

LUBRICACIÓN

Cuerpo principal o primario

TRIBOSISTEMA

DESGASTE

Existen tres maneras de remover material de la supe rficie de un elemento, por licuación, por disolución química o p or acción

mecánica. El término “desgaste” agrupa al amplio co njunto de fenómenos asociados a la pérdida de materialpérdida de material por la acción mecánicaacción mecánica

de dos cuerpos en contactocontacto y con movimiento relativomovimiento relativo .

ABRASIVOADHESIVO EROSIVO

TIPOS

DESGASTE ABRASIVODefinición: Es el tipo de daño provocado por la acción de duras

partículas o protuberancias forzadas contra una superficie sólida y puestas en movimiento relativo respecto a ella.

Transporte de minerales

Mecanizado

Movimiento de tierra

Trituración

El daño viene dado por la indentación de partículas duras en la superficie blanda del cuerpo primario y la posterior remoción y corte por acción

combinada de fuerza y movimiento. Esto crea hendiduras en la superficie, especies de “surcos”

A pesar que el desgaste ocurre en ambos cuerpos uno tiende a enfocarse en aquel que representa un mayor costo económico o es más caro a sus sentimientos y considera al otro como el “abrasivo”.

LA REALIDAD ES QUE AMBAS SUPERFICIES SE DESGASTAN P ERO LO HACEN A VELOCIDADES DISTINTAS . . . . O NO

En general la velocidad del proceso de desgaste depende de:• Características de ambas superficies• Presencia o no de partículas entre las superficies• Velocidad de contacto• Las presiones de contacto• Condiciones ambientales

En un material dúctil hay tres mecanismos para explicar como una partícula abrasiva o protuberancia remueve material de la superficie: rayado, cuña y corte. Son múltiples los factores que determinan cual de ellos predomina (forma de la

MECANISMO ABRASIVOMECANISMO ABRASIVO

Son múltiples los factores que determinan cual de ellos predomina (forma de la partícula, ángulo de penetración, dureza relativa entre las superficies, carga, etc).

CORTE CUÑA RAYADO

Existe un modelo matemático para determinar el volumen perdido de material por corte, producido por una partícula abrasiva.

W – volumen de material perdidoA – área de la huella dejada por el material arrancadod – distancia deslizada

dAW ⋅=

Ahora el área es proporcional a la profundidad de la huella y esta a su vez a la carga aplicada e inversamente proporcional a la dureza de la superficie. Por lo que:

k3 – constante de proporcionalidadL – carga aplicadad

L3kW ⋅⋅=

CONCLUSIÓNEl volumen desgastado es proporcional a la carga y la distancia deslizada, e inversamente proporcional a la dureza de la superficie. También se define como resistencia al desgaste abrasivo a la inversa de W:

L – carga aplicadaH – dureza del material

dH

L3kW ⋅⋅=

El valor de la constante k3k3 esta afectado por numerosos factores algunos de los cuales veremos de ahora en adelante.

W

1R =

Propiedades del material:Propiedades del material:

DUREZA

MICROESTRUCTURA

TENACIDAD

COMPOSICIÓN QUÍMICA

Dureza : La dureza de la superficie del material esta relacionada con la

velocidad o tasa de desgaste.

Res

iste

ncia

al d

esga

ste

rela

tiva

velocidad o tasa de desgaste. Muchos autores, basados en sus

trabajos experimentales, coinciden en que para la mayoría de los

metales la velocidad de desgaste es inversamente proporcional a la

dureza y que la pendiente es una característica particular de cada

material. A su vez el mismo proceso de abrasión puede aumentar la dureza inicial por trabajo en frío

durante el uso.

Dureza (H), kgf/mm 2

Res

iste

ncia

al d

esga

ste

rela

tiva

Microestructura : Aquellas microestructuras que presentan mayor capacidad de endurecimiento por deformación, tendrán mayor resistencia a la abrasión a igual dureza inicial. Microestructuras como austenita o bainita resultan mejores que perlita, ferrita o martensita de la misma dureza inicial.

Tenacidad : Esta característica resulta de gran importancia en los cerámicos y en menor medida en las fundiciones de hierro, en otras palabras en los materiales frágiles la resistencia a la abrasión esta fuertemente afecta por la capacidad de éstos de

Vel

ocid

ad d

e de

sgas

te (m

m3

/ N.m

)

fuertemente afecta por la capacidad de éstos de absorber energía para transformarla en deformación.

En los materiales frágiles existe un modo adicional de desgaste abrasivo, por microfatiga. Ocurre cuando l a tenacidad a la fractura del material es excedida po r la

fuerza ejercida por la partícula abrasiva. Este mecanismo predomina en los cerámicos y esta activo en

metales frágiles como la fundición blanca.

Tenacidad a la fractura (MPa √m)

Vel

ocid

ad d

e de

sgas

te (m

m

Composición química : Aleando generalmente podemos mejorar el desempeño de un material frente a la abrasión. En el caso del agregado de solutos intersticiales como es

el carbono en los aceros, la solución sólida formada aumenta su dureza por lo tanto mejora su comportamiento frente al desgaste abrasivo respecto al hierro puro.

Ocurre lo mismo con aquellas aleaciones endurecibles por solución sólida del tipo sustitucional. En estos casos esta demostrado que la resistencia a la abrasión sigue la

regla de las proporciones de las mezclas al igual que la dureza.En los sistemas que poseen solubilidad parcial para un rango de temperaturas, la

presencia de una segunda fase altera las propiedades mecánicas de la aleación. En este sentido sabemos que existen tratamientos térmicos diseñados para producir la precipitación de una segunda fase con el objeto de aumentar la dureza y el límite de fluencia de muchos metales. Por lo tanto uno debería esperar que la resistencia a la fluencia de muchos metales. Por lo tanto uno debería esperar que la resistencia a la

abrasión mejorase, pero no ocurre eso. Un precipitado pequeño coherente y finamente distribuido es fácilmente removido durante el proceso abrasivo. Por el

contrario se ha demostrado que partículas grandes incoherentes con la matriz y de alta dureza , logran aumentar la resistencia a la abrasión.

Los compuestos metálicos con partículas cerámicas presentan un buen desempeño frente al desgaste abrasivo. Las principales características que se buscan en las partículas son:

+

+ ++

Efecto del medio ambienteLa tasa de desgaste abrasivo no solo depende o es afectada por las propiedades del material como hemos visto sino también por el entorno que rodea el sistema en cuestión. Entre los factores ajenos al material que influyen en la pérdida de material por abrasión encontramos a:

Tipo de abrasivo y sus características físico –mecánicas (forma, dureza, tamaño, tenacidad): Muy importante es la relación de durezas entre la partícula abrasiva y el material desgastado.

DUREZA

la partícula abrasiva y el material desgastado. Uno debe tratar de que dicha relación sea mayor a 0,5. No obstante que las condiciones mejoran a medida que la relación aumenta, a valores superiores a 1,2 aproximadamente, el beneficio extra obtenido no justifique quizás el alto costo del material elegido (una regla general pero no taxativa dice que cuanto más resistente es un material más costoso resulta).

TENACIDAD

Temperatura y Velocidad de contacto : luego de numerosas experiencias realizadas por años se puede decir que bajo condiciones normales de desgaste tanto la velocidad de contacto como la temperatura resultan poco relevantes frente a un mecanismo del tipo abrasivo.

Vol.Perdido Grano irregular

de bordes

Tanto la carga aplicada como la velocidad de deslizamiento están relacionadas al volumen desgastado a través de la dureza del material y una constante de proporcionalidad. Esta relación denominada ecuación de

FORMA

Humedad o ambiente corrosivo : cuando el sistema involucra además de un fenómeno de desgaste u proceso de ataque corrosivo, ambos mecanismos aunque independientes entre si en cuanto a su origen, suelen potenciarse uno al otro, lo que comúnmente se denominan procesos sinérgicos, en tales condiciones la velocidad de desgaste puede duplicarse.

Lk

Carga crítica de fractura de la partícula

Carga (L)

de bordes puntiagudos y filosos

Grano de bordes redondeados

relación denominada ecuación de “Archard” es establecida considerando la partícula abrasiva cortando el material y no contempla las propiedades de la misma ni el ambiente que rodea el sistema. Las partículas se fracturan al alcanzar la carga crítica, según como resulten las aristas de los nuevos fragmentos, puntiagudas y filosas o suaves y redondeadas cambiara la velocidad de desgaste del sistema para bien o para mal.

MATERIALES UTILIZADOS

La falta de un criterio general que gobierne este fenómeno físico, significa que para lograr la selección más adecuada de un material para una determinada situación de desgaste, se requiera de la combinación de un análisis de falla y un meticuloso ensayo de laboratorio (simulación).No obstante los siguientes conceptos son aceptados y pueden tomarse como una guía para una correcta selección del material. Hay familias de materiales conocidos por su buena resistencia al desgaste abrasivo, los cerámicos, las fundiciones blancas y los aceros aleados. Además éstos mismos u otros son utilizados como recubrimiento en la superficie de materiales más blandos y baratos. Otra opción muy empleada son los tratamientos termoquímicos como nitrurado y carburado (cementación). Materiales

• Cerámicos: Debido a su alta dureza respecto al abrasivo muestran un excelente comportamiento y resistencia al desgaste abrasivo. Pero su punto débil es su incapacidad para soportar cargas dinámicas tipo impactos (como se sabe poseen muy baja tenacidad a la fractura). En definitiva no son utilizados por no ser adecuados para servicios que involucren impactos o altas tensiones.

tratamientos termoquímicos como nitrurado y carburado (cementación). Materiales compuestos como los cermet también resultan una opción frente a la abrasión.

CMCs : Compuestos de matriz cerámica reforzados con cerámicos

• Metales: dentro de este grupo las aleaciones más destacadas son:

Fundiciones blancas aleadasFundiciones blancas aleadas : su resistencia a este tipo de desgaste se debe

• Plásticos: Baja resistencia al desgaste abrasivo. Dentro de la mediocridad los mejores son los plásticos con mayor peso molecular. Algunas veces son utilizados cuando se necesita resistencia a la corrosión, sobre todo durante el manejo de fluidos viscosos corrosivos que contienen pequeñas partículas.

Fundiciones blancas aleadasFundiciones blancas aleadas : su resistencia a este tipo de desgaste se debe principalmente a la presencia de carburos formados durante el proceso de solidificación. Entre sus desventajas debemos mencionar su baja tenacidad, difíciles de mecanizar y que no son soldables lo cual limita su aplicación a piezas cuya forma final puede ser obtenida solo por colada.Dentro de este subgrupo metálico nombraremos los tipos más empleados:

�� Fundiciones Fundiciones NiHardNiHard (Ni (Ni –– Cr y de alto carbono)Cr y de alto carbono)�� Alto cromo (poseen entre 23% a 30% de cromo y alto carbono). Poseen buena Alto cromo (poseen entre 23% a 30% de cromo y alto carbono). Poseen buena

resistencia a la corrosión.resistencia a la corrosión.�� Fundición Fundición perlíticaperlítica�� Fundición Cr Fundición Cr –– Mo (Alta templabilidad, ideal para secciones gruesas)Mo (Alta templabilidad, ideal para secciones gruesas)

Fundiciones nodulares Fundiciones nodulares austemperadasaustemperadas : Denominadas fundiciones ADI. Son fundiciones nodulares cuya composición química es ajustada tal que mediante un tratamiento térmico muy controlado se obtiene una microestructura única consistente de una mezcla mecánica de ferrita acicular y austenita retenida.

AcerosAceros : Los aceros utilizados en aplicaciones que involucran abrasión son:

� De baja aleación (su dureza lograda a través del contenido de carbono son sus De baja aleación (su dureza lograda a través del contenido de carbono son sus principales atributos, además con el contenido de principales atributos, además con el contenido de aleantesaleantes se logra aumentar se logra aumentar muchísimo su templabilidad).muchísimo su templabilidad).

�� Para herramientas (son aceros altamente aleados y basan su resistencia a la Para herramientas (son aceros altamente aleados y basan su resistencia a la abrasión en el alto contenido de carburos) encontramos diferentes clases cada una de abrasión en el alto contenido de carburos) encontramos diferentes clases cada una de las cuales con características propias. las cuales con características propias. EstanEstan los clase M y T denominados los clase M y T denominados comúnmente “aceros rápidos”, los D con alto cromo y los A, comúnmente “aceros rápidos”, los D con alto cromo y los A, templablestemplables al agua.al agua.

�� Al manganeso, son Al manganeso, son austeníticosausteníticos y los de mayor tenacidad. Tienen la ventaja que y los de mayor tenacidad. Tienen la ventaja que bajo altas tensiones de servicio experimentan endurecimiento por deformación que bajo altas tensiones de servicio experimentan endurecimiento por deformación que bajo altas tensiones de servicio experimentan endurecimiento por deformación que bajo altas tensiones de servicio experimentan endurecimiento por deformación que mejora sustancialmente su desempeño paulatinamente durante el uso. Dentro de este mejora sustancialmente su desempeño paulatinamente durante el uso. Dentro de este subgrupo el más famoso es el conocido como acero “subgrupo el más famoso es el conocido como acero “HadfieldHadfield” el cual posee 12% de ” el cual posee 12% de manganeso.manganeso.

CermetCermet : Materiales compuestos que combinan la excelente dureza de un cerámico con la tenacidad de un metal .

Carburo de

tungsteno

Matriz de

cobalto

Herramienta de corte de Co-WC

DESGASTE ADHESIVO“Se refiere al tipo de desgaste provocado por el deslizamiento de una

superficie sólida sobre otra sin la participación de una partícula”

El fenómeno de adhesión ha sido identificado como el principal contribuyente a la resistencia al deslizamiento en los sistemas con movimiento relativo de superficies en contacto (fricción)(fricción) . No obstante se puede decir que la adhesiónla adhesión es una consecuencia del contacto y no es la causa del desgaste. En realidad el daño sobreviene cuando las dos superficies adheridas localmente son obligadas a deslizarsedeslizarse y por lo tanto separarse.

Superficies de deslizamiento

Las superficies de deslizamiento distan de estar perfectamente limpias y secas. Aun en los casos donde inicialmente estuviesen muy limpias es inevitable su contaminación posterior debido a la acción del medio y el movimiento. Es por ello que en el caso de los metales se admite la existencia de distintas capas intermedias entre las superficies, estableciéndose este hecho como la condición normal de las superficies de deslizamiento.

Teoría de la adhesiónTeoría de la adhesión

Como se indica en la figura los metales usualmente se cubren de un film de óxido, el cual a su vez esta cubierto por una segunda capa mezcla de gases absorbidos e hidrocarburos (aceites). El espesor de tales films están en el orden de los 10 nm (0,01 µm), vale decir imposibles de distinguir a través de microscopía óptica o la electrónica de barrido. La presencia de estas capas es crucial ya que constituye el factor esencial en el fenómeno de adhesión de las superficies. Alteracion es tanto en el espesor como en las propiedades físico – químicas de estos films hacen q ue el comportamiento frente al desgaste sea muy variado y cambiante aún en un mism o sistema de deslizamiento.

Puntos de contacto

Capas de gases e hidrocarburos

absorbidosSiC

LatónCapas de

óxidos, sulfuros sólidos

Cuerpo 1

Cuerpo 2

La carga normal es transmitida desde uno de los sustratos hacia el otro a través de estas capas intermedias por sus puntos de contacto (rugosidad de

las superficies). Luego cuando dichas superficies se deslizan entre si, la acción conjunta de la presión y el movimiento intentan escurrir la capa de

gases y aceites absorbidos. Ocurrido esto las capas de óxidos o sulfuros son puestas en contacto. Si las presiones en los puntos de contacto son lo suficientemente altas, éstas frágiles capas de óxidos y sulfuros pueden

llegar a fracturase y por lo tanto dejar expuesta la superficie limpia del metal. Finalmente en localizadas regiones ambos metales serán puestos en íntimo

contacto y podrían llegar a adherirse.contacto y podrían llegar a adherirse.

Transición de leve a severoTransición de leve a severo

El desgaste bajo condiciones adhesivas esta sujeto a una abrupta transición, pasando de un desgaste suave o ligero a un desgaste severo, con un incremento

importante en la velocidad de desgaste

El espesor de la capa de óxido es el factor crítico. Depende del tiempo disponible para reparar la capa de óxido rota en una región desnuda y de la velocidad de

formación del óxido. El primer fenómeno esta afectado únicamente por la velocidad de deslizamiento mientras que el segundo depende de la temperatura y la

atmósfera presente.

Velocidad de deslizamiento

Esp

eso

r ca

pa

de

óx

ido

Espesor crítico:

Prevención del desgaste adhesivoPrevención del desgaste adhesivo

La siguiente es una guía de recomendaciones para mitigar los efectos del desgaste adhesivo:

• Evitar principalmente en los metales, el deslizamiento de parejas de materiales idénticos o similares o con solubilidad en estado sólido

• Altos valores de dureza son convenientes excepto en los casos donde existe la posibilidad de fatiga por alta presiones de contacto

• En los casos de materiales con varias fases hay que considerar la dureza de • En los casos de materiales con varias fases hay que considerar la dureza de cada una de ellas, pues puntos duros dañaran la superficie opuesta

• La lubricación reduce el desgaste adhesivo aun cuando es realizada de manera inadecuada. Algo de lubricación puede proveer una atmósfera corrosiva que genera un film de óxido que disminuye la fricción respecto a que si esta capa no estuviese. Además la presencia del lubricante mejora la disipación de calor generado durante el deslizamiento y por lo tanto impide que la temperatura se eleve alcanzando valores excesivos que degraden las propiedades de la superficie.

EROSIÓN“Es la pérdida de material como resultado de choques repetidos de pequeñas

partículas sólidas”

Es de esperar este tipo de desgaste cuando partículas duras inmersas en un fluido (gas o líquido) impactan sobre una superficie sólida a una determinada velocidad

(mayor a 1 ms-1) y en una determinada dirección (ángulo de impacto).El medio fluido actúa como acelerador o desacelerador de las partículas, además es

el responsables de cualquier cambio en la dirección del movimiento.El caso de erosión en medio líquido suele ser más severo que si éste fuese un gas.El caso de erosión en medio líquido suele ser más severo que si éste fuese un gas.

Manifestaciones típicas del desgaste por erosión de partículas sólidas:

- Adelgazamientos de los componentes (disminución de espesor).- Presencia de marcas visibles sobre la superficie siguiendo el flujo de las partículas o fluido.- Pulimiento de la superficie

Las distintas variables que afectan la erosión pura pueden ser separadas en tres grupos:

I - Características del flujo- Velocidad del flujo- Angulo de impacto- Concentración de partículas sólidas- Temperatura- Temperatura

II - Características de las partículas- Forma- Tamaño- Dureza- Fragilidad

III - Características del material desgastado- Dureza- Endurecimiento por deformación- Microestructura

CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO

Ángulo de incidencia : Materiales dúctiles presentan a bajos ángulos de incidencia (15°a 30°) las mayores tasas de desgaste por ero sión, sucede lo contrario con los materiales frágiles que sufren un severo daño cuando son impactados casi perpendicularmente.

Velocidad de la partícula : Al igual que con el ángulo de impacto para la velocidad (υ) debemos distinguir dos comportamientos diferentes entre un material frágil y uno dúctil,

Donde k es una constante y n un exponente que para los metales va de 2 a 2,5 y en los cerámicos de 2,5 a 3.

nkVol ν⋅=

Concentración de partículas : Flujos más concentrados producen menos desgaste que aquellos donde la cantidad de sólidos es menor. Una explicación de este comportamiento sería el efecto “cobertor” provocado por la interferencia de este comportamiento sería el efecto “cobertor” provocado por la interferencia que tiene lugar entre las partículas que rebotan y las que impactan por primera vez la superficie. Este efecto aumenta al disminuir la velocidad o el tamaño de las partículas y depende a su vez del tipo de material (asociado a la velocidad de rebote).

Temperatura : no esta muy claro el efecto de la temperatura y depende mucho de los demás factores intervinientes.

Forma : Partículas angulosas dan lugar a velocidades de erosión mayores que las esféricas tal cual uno podría intuir a priori.

Tamaño : La velocidad de erosión se incrementa a medida que la partícula aumenta su tamaño. Esto se verifica hasta un tamaño determinado por encima del cual el efecto es pequeño o nulo. Ese tamaño crítico cambia si la velocidad de impacto varía, por ejemplo varios investigadores han informado que a 20 m/s la

CARACTERÍSTICAS DE LA PARTÍCULA

impacto varía, por ejemplo varios investigadores han informado que a 20 m/s la tasa de desgaste pasa ha ser constante en un acero 1018 cuando es impactado por partículas de SiC de 200 µm o más, mientras que si la velocidad es de 60 m/s la velocidad de desgaste continua aumentando hasta partículas de 850 µm.

Dureza : Al igual que en abrasión, la severidad del daño por erosión cae cuando la dureza relativa de la partícula frente a la superficie es menor a uno.

CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL

Dureza : Por lo visto hasta ahora es evidente que existe una diferencia notable en el comportamiento frente a la erosión entre los metales dúctiles y los frágiles. Seguramente el comportamiento puede alterarse si algunos de los factores tales como velocidad, ángulo de incidencia, tipo y

Metales

ángulo de incidencia, tipo y tamaño de la partícula cambia.

Parámetros de ensayo: α = 90°(incidencia);

partículas de Al2O3 de 27 µm; flujo 5 g/min ; velocidad 170 m/s ; duración del ensayo 3 minutos ; Atmósfera de N2.

REF= Vol perdido/Vol perdido metal de referencia

Cerámicos