clases desgaste
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TRIBOLOGÍA : Disciplina de la ciencia que se encarga
del estudio el movimiento relativo de los cuerpo en
contacto
FRICCIÓN
DESGASTE
LUBRICACIÓN
TRIBOSISTEMA
Cuerpo principal o primario P
DESGASTE
Existen tres maneras de remover material de la superficie de un
elemento, por licuación, por disolución química o por acción
mecánica. El término “desgaste” agrupa al amplio conjunto de
fenómenos asociados a la pérdida de material por la acción mecánica
de dos cuerpos en contacto y con movimiento relativo.
ABRASIVO ADHESIVO EROSIVO
PRINCIPALES
TIPOS
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). No obstante se puede decir que la 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 deslizarse 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 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. Alteraciones tanto en el espesor como en las
propiedades físico – químicas de estos films hacen que el comportamiento frente al
desgaste sea muy variado y cambiante aún en un mismo sistema de deslizamiento.
Puntos de contacto
Capas de gases e
hidrocarburos absorbidos
SiC
Latón Capas 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.
Transición 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
óxi
do
Espesor crítico:
Prevención 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.
• Utilizar pares disímiles en dureza o recubrimientos blandos en sustratos duros
para los cojinetes.
• 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 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.
DESGASTE ABRASIVO
Definición: Es el tipo de daño provocado por la acción de duras
partículas o protuberancias forzadas contra una superficie sólida
y simultáneamente puestas en movimiento relativo respecto a ella.
Transporte de
minerales
Movimiento de
tierra
Trituración
Mecanizado
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”
Descripción
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 PERO
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
partícula, ángulo de penetración, dureza relativa entre las superficies, carga, etc).
MECANISMO ABRASIVO
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 perdido
A – área de la huella dejada por el material arrancado d – distancia deslizada
dAW
CONCLUSIÓN
El 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:
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 proporcionalidad
L – carga aplicada H – dureza del material
dH
L3kW
El valor de la constante k3 esta afectado por numerosos factores algunos de los
cuales veremos de ahora en adelante.
W
1R
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.
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/mm2
Re
sis
ten
cia
al
de
sg
as
te r
ela
tiv
a
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 absorber energía para transformarla en deformación.
En los materiales frágiles existe un modo adicional de
desgaste abrasivo, por microfatiga. Ocurre cuando la
tenacidad a la fractura del material es excedida por 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)
Ve
loc
ida
d d
e d
es
ga
ste
(m
m3 /
N.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
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 ambiente
La 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.
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).
DUREZA
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.
Lk
Carga crítica
de fractura de la
partícula
Vol.
Perdido
Carga (L)
Grano irregular
de bordes
puntiagudos y
filosos
Grano de
bordes
redondeados
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
“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.
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.
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
cementado. Materiales compuestos como los cermet
también resultan una opción frente a la abrasión.
• 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.
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.
• Metales:
Fundiciones 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 NiHard (Ni – Cr y de alto carbono)
Alto cromo (poseen entre 23% a 30% de cromo y alto carbono).
Poseen buena resistencia a la corrosión.
Fundición perlítica
Fundición Cr – Mo (Alta templabilidad, ideal para secciones
gruesas)
Fundiciones nodulares austemperadas: 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.
Aceros:
Los aceros utilizados en aplicaciones que involucran abrasión son:
De baja aleación (su dureza lograda a través del contenido de
carbono son sus principales atributos, además con el contenido de
aleantes se logra aumentar muchísimo su templabilidad).
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 las cuales con
características propias. Estan los clase M y T denominados
comúnmente “aceros rápidos”, los D con alto cromo y los A,
templables al agua.
Al manganeso, son austeníticos y los de mayor tenacidad. Tienen
la ventaja que bajo altas tensiones de servicio experimentan
endurecimiento por deformación que mejora sustancialmente su
desempeño paulatinamente durante el uso. Dentro de este subgrupo
el más famoso es el conocido como acero “Hadfield” el cual posee
12% de manganeso.
CLASIFICACIÓN AISI DE LOS ACEROS PARA HERRAMIENTAS
AISI establece letras para agrupar los aceros especiales para herramientas
según la aplicación para la cual están hechos. Cada grupo a su vez posee
subgrupos según variaciones en la composición química.
Aceros de alto
carbono
(0,7% . 1,5% C)
Aceros rápidos
(W – Cr – V)
serie T
(Mo – Cr – V)
serie M
Temperatura de uso máxima: 150°C
Son para trabajo en frío. Principalmente
templables al agua. Tipo W.
Mejoran la dureza en caliente gracias al agregado de Cr, W, V, Co
y/o Mo. T1: 18% W-4% Cr-1% V ; M2: 6% W-4% Cr-2% V-5% Mo
Temp. máxima: 500°C
Se puede duplicar la velocidad de corte respecto a los anteriores.
Aceros para
trabajo en
caliente
Aceros
resistentes al
impacto
Aceros
para
trabajo en
frío
Aceros para
moldes
Aceros de alta
templabilidad
indeformables
Temperatura de uso máxima: 150°C
Son para trabajo en frío. Templables en
aceite (tipo O) o aire (Tipo A). Contienen Mn
y Cr como aleantes. Baja dilatación lineal por
temple.
Son de medio carbono 0,45 a 0,65%. Poseen alta tenacidad.
Son los tipo S.
Son los identificados con la letra H. Los hay al Cromo (H13), al
Molibdeno o al Tungsteno. Son de medio carbono 0,35 a
0,45%.
Son de bajo a medio carbono 0,10 a 0,40%. Poseen alta
tenacidad. Son los tipo P.
Tipo W o Tipo
O
Tipo S
Tipo A
Tipo M
Resistencia al ablandamiento por
temperatura
Temperatura de revenido
Du
reza
HR
C
Templabilidad y Dureza de un
M2 luego de tratado
térmicamente
Templabilidad y Dureza de
un T1 luego de tratado
térmicamente
Se pueden obtener valores de dureza desde 64 HRC hasta 70 HRC
dependiendo de la temperatura de austenización, el contenido de
carbono y aleantes.
Dureza HRC Dureza HRC
ETAPAS DE FABRICACIÓN DE UNA HERRAMIENTA
DE ACERO
COLADA Gran cantidad de aleantes
Alto % de carburos en red
FORJADO
Deformación en caliente
Fractura de la red de carburos
Mejora la distribución de carburos
RECOCIDO Alivio de tensiones
Ablandamiento para el maquinado de la herramienta
TEMPLE Y REVENIDO
Para otorgar la dureza, tenacidad y
resistencia en caliente requeridas
MECANIZADO
ALIVIO DE TENSIONES
Eliminar las tensiones internas introducidas
por el mecanizado
CONTROLES DE CALIDAD Macro y microestructura – tamaño de grano –
composición – templabilidad – dureza.
Controles no destructivos
Pueden ser recubiertos a su vez de una capa muy
fina de TiN para reducir la adhesión.
Tempering Diagram
Temperatura de revenido (°C) x 1 hr
Dure
za H
RC
ACERO AISI M2
Curva TTT
Tipos
No ferrosos fundidos
40% Co-35% Cr-
20% W
No contienen Fe. Constituidos básicamente de
compuestos intermetálicos complejos. Temp.
máxima: 800°C
Frágiles, por eso deben ser fundidos y no ser
usados en situaciones de impacto o de vibraciones muy severas.
Cermet
WC-Co
Temp. máxima: 1100°C
Duros carburos refractarios embebidos en una dúctil
matriz metálica. Velocidades de corte 5 veces
mayores a los aceros rápidos.
Cerámicos
(Al3O2 - Nitruro de Boro
– Diamante)
Más duros y frágiles que los carburos.
Pueden ser empleados al doble o triple de
velocidad de corte.
Aceros
especiales
para
herramientas
MATERIALES PARA HERRAMIENTAS O RESISTENTES A LA ABRASIÓN
PULVIMETALURG
IA
Son fabricados en forma de insertos y unidos mediante
soldadura fría a soportes de gran rigidez de acero
En el caso de los carburos suelen ser recubiertos a su
vez de una capa muy fina de TiN o TiC para reducir la
adhesión. Permite obtener un material con una distribución de
tamaños de carburos más uniforme y en porcentajes
elevados.
Posibilita el empleo de composiciones muy difíciles de
obtener mediante colada y mecanizado.
FABRICACIÓN DE UNA HERRAMIENTA DE
CARBUROS Y CERÁMICOS
Cermet:
Materiales compuestos que combinan la excelente dureza de un cerámico con la tenacidad de un metal. Se trata de partículas cerámicas
dispersadas en una matriz metálica (vp ~ 90%)
Herramienta de corte de Co-WC
Carburo de tungsteno
Matriz de cobalto
a) WC-15Co, b) TiC60-Fe8Ni, c) TiC60-NiMo, d) Cr3C2 70-NiMo
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.
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
II - Características de las partículas - Forma
- Tamaño
- Dureza
- Fragilidad
III - Características del material desgastado - Dureza
- Endurecimiento por deformación
- Microestructura
Ángulo de incidencia: Materiales dúctiles presentan a bajos ángulos de
incidencia (15° a 30°) las mayores tasas de desgaste por erosión, sucede lo
contrario con los materiales frágiles que sufren un severo daño cuando son
impactados casi perpendicularmente.
CARACTERÍSTICAS DEL FLUJO
Velocidad de la partícula: Al igual que con el ángulo de impacto para la
velocidad () 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
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
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
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 DE LA PARTÍCULA
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
tamaño de la partícula cambia.
Parámetros de ensayo:
= 90° (incidencia);
partículas de Al2O3 de 27 μm;
flujo 5 g/min ; velocidad 170
m/s ; duración del ensayo 3
minutos ; Atmósfera de N2.
Metales
REF= Vol perdido/Vol perdido metal de referencia
Cerámicos
