desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en

Desarrollo de superficies

determinísticas inspiradas en piel de serpiente mediante técnicas de

texturizado mecánico para aplicaciones tribológicas.

Efraín Zuluaga Díaz

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Minas, Departamento de Materiales y Minerales

Medellín, Colombia

2020

Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente mediante técnicas de

texturizado mecánico para aplicaciones tribológicas.

Efraín Zuluaga Díaz

Tesis de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título de:

Magíster en Ingeniería - Materiales y Procesos

Director (a):

PH.D. ALEJANDRO TORO

Codirector (a):

PH.D. JUAN SEBASTIÁN RUDAS FLOREZ

Línea de Investigación:

Tribología

Grupo de Investigación en Tribología y Superficies -GTS

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Minas, Departamento de Materiales y Minerales

Medellín, Colombia

2020

A mis padres y hermanos.

Por su apoyo incondicional y confianza

Agradecimientos

A mis padres Rodrigo Zuluaga y Gloria Isabel por la educación, el amor, apoyo que siempre

me han brindado

A mis hermanos Rodrigo y Benjamín Zuluaga por estar siempre ahí cuando los necesito

A mis directores de tesis Alejandro Toro y Sebastián Rudas por su valioso aporte y las

enseñanzas que me transmitieron en este proceso de formación.

A mis compañeros del grupo de Snake Skin como Paula Cuervo, por su ayuda, asesoría y

colaboración para el desarrollo de esta investigación.

A los laboratoristas Luz Mery Arrubla Montoya y Juan José Toro, por las indicaciones,

asesoría y consejos frente a temas que desconocía y muy amablemente entregan su

conocimiento para apoyar las investigaciones.

A mis amigos de siempre Lauris, Mary, Cali, Moncho, Toño, Dany. Por su motivación

acompañamiento, y la presión de equipo para terminar esta etapa de mi vida

A todos mis compañeros del bloque: Natalia B, Sarita, Tatiana, Ximena, Natalia M,

Christoph, Jhonatan, memo, Robinson y Luis, etc. quienes me acompañaron, se volvieron

mis amigo y parte de mi día a día, gracias por esos momentos de esparcimiento.

Resumen

Debido a las cualidades que tienen las serpientes para realizar locomoción sobre cualquier

superficie con gran facilidad y sin sufrir desgaste severo, se evaluó la piel de esta especie

como uno de los órganos claves para exhibir dichas características con el fin de aplicar

este conocimiento en el diseño de superficies de materiales industriales en aplicaciones

de alto consumo energético y gran desgaste. La primera parte de esta investigación se

orientó al estudio de propiedades morfológicas, topográficas y tribológicas de las escamas

ventrales de la especie comúnmente conocida como pitón real albina utilizando técnicas

como microscopía óptica (LOM), microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía

de fuerza atómica (AFM) y evaluación tribológica en tribómetro pin-disco. De las

características principales derivadas de dicha actividad se reconocieron parámetros que

describen la naturaleza determinística de la superficie, y a partir de dichos parámetros se

propuso un diseño de textura y se realizó la fabricación de texturas mediante maquinado

CNC sobre acero AISI 52100 el cual es ampliamente usado en la elaboración de

rodamientos. La respuesta tribológica de las superficies texturizadas se evaluó contra

acero AISI H13. Al comparar los resultados con los presentados en superficies

convencionales, se observaron modificaciones en los valores del coeficiente de fricción,

además de un comportamiento anisotrópico de la fricción en relación con la dirección de

deslizamiento

Palabras clave: biomimética, superficies determinísticas, micro-mecanizado, Fricción.

Development of deterministic surfaces inspired by

snakeskin using mechanical texturing techniques

for tribological applications

Abstract

Due to the qualities that snakes have to perform locomotion on any surface with great ease

and without suffering severe wear, the skin of this species was evaluated as the organ

responsible of these characteristics in order to apply this knowledge to the design of artificial

surfaces for high energy consumption and high wear applications. The first part of this

research was oriented to the study of morphological, topographic and tribological properties

of the ventral scales of the species commonly known as albino royal python using

techniques such as light optical microscopy (LOM), scanning electron microscopy (SEM),

atomic force microscopy (AFM) and tribological evaluation in a pin-on-disc tribometer. A

number of parameters describing the deterministic nature of the surface were calculated

and then used as inspiration for the design of textured surfaces on AISI 52100 steel by

computerized numerical control (CNC) machining. The tribological response of the textured

surfaces against AISI H13 steel showed a reduction in the coefficient of friction in

comparison to conventional surfaces, as well as an anisotropic behavior related to the

direction of sliding.

Keywords: Biomimetics, Deterministic Surfaces, Micro-machining, Friction.

Contenido VII

Tabla de contenido

1. Introducción ........................................................................................................... 14

1.1 Antecedentes .................................................................................................... 14

1.2 Justificación ...................................................................................................... 20

1.3 Planteamiento del problema .............................................................................. 22

1.4 Objetivos ........................................................................................................... 24

1.4.1 Objetivo general ........................................................................................ 24

1.4.2 Objetivos específicos ................................................................................ 24

2. Marco teórico ......................................................................................................... 25

2.1 Fricción ............................................................................................................. 26

2.2 Mecanismos de desgaste.................................................................................. 30

2.3 Texturizado de superficies ................................................................................ 34

3. Materiales y métodos ............................................................................................. 38

3.1 Materiales: ........................................................................................................ 40

3.1.1 Piel de serpiente ....................................................................................... 40

3.1.2 Aceros para el par tribológico .................................................................... 41

3.1.3 Lubricante ................................................................................................. 44

3.2 Caracterización de la piel de serpiente .............................................................. 45

3.2.1 Caracterización morfológica y topográfica ................................................. 45

3.2.2 Caracterización tribológica ........................................................................ 49

3.3 Texturizado ....................................................................................................... 52

3.4 Diseño de las texturas ....................................................................................... 56

VIII Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente

3.5 Pruebas tribológicas de las superficies texturizadas ......................................... 58

3.6 Análisis de superficies desgatadas ................................................................... 59

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................ 60

4.1 Caracterización de la piel de serpiente .............................................................. 60

4.1.1 Morfología y naturaleza determinística ...................................................... 60

4.1.2 Respuesta tribológica ................................................................................ 70

4.2 Desarrollo de las superficies texturizadas ......................................................... 73

4.2.1 Caracterización del sustrato ...................................................................... 73

4.2.2 Retos ingenieriles del proceso de fabricación: ........................................... 75

4.2.3 Degradación de la herramienta de corte.................................................... 92

4.3 Respuesta tribológica de las superficies texturizadas ....................................... 94

Caracterización de superficies desgastadas .............................................................. 102

5. Conclusiones y recomendaciones ...................................................................... 111

5.1 Conclusiones .................................................................................................. 111

5.2 Recomendaciones .......................................................................................... 112

Bibliografía .................................................................................................................. 113

Contenido IX

Lista de figuras

Pág.

Figura 1-1 Texturizados con patrón circular y elíptico con orientación longitudinal y

transversal [7] ................................................................................................................. 16

Figura 1-2. Diferentes texturizados desarrollados: “(a) imagen óptica del dedo utilizado para

transferir la textura de la huella dactilar, (b) Imagen 3D de Si / SU-8 / FP, (c) esquema de

Si / SU-8 / FP con dimensiones completas (sin escala), (d) una imagen óptica de Si / SU-

8 / HC, (e) imagen 3D de Si / SU-8 / HC y (f) un diagrama esquemático de Si / SU-8 / HC

con dimensiones completas (sin escala)”; tomado de [14]. ............................................. 18

Figura 1-3. Esquema de los arreglos de texturizado de la superficie del láser para generar

depósitos. Tomado de [17] ............................................................................................. 19

Figura 1-4. Resultados de la búsqueda de investigaciones publicadas. ......................... 23

Figura 2-1. Mecanismos a nivel microscópico que generan fricción. (a) Adhesión. (b) Arado.

(c) Deformación y fractura de óxidos. (d) Partícula de desgaste atrapada. Modificada del

HandBook Volumen 18 [49]. ........................................................................................... 28

Figura 2-2. Desgaste adhesivo. Tomado de [50]. ........................................................... 32

Figura 2-3.Desgaste abrasivo aspectos generales. Modificado de [50] .......................... 34

Figura 2-4. Esquema del equipo para texturizar por CNC. Tomado de [74]. ................... 36

Figura 2-5. Equipo para texturizar por MAM (Modulation Assisted Machining). Modificado

de [34]. ........................................................................................................................... 37

Figura 3-1. Descripción esquemática de las etapas metodológicas de la tesis. .............. 38

Figura 3-2. Aspecto de la especie Pitón Real Albina [79]. .............................................. 41

Figura 3-3. Dureza vs Temperatura de revenido para AISI 52100. Tomado de [87]. ...... 43

Figura 3-4. Escala caracterización en la piel de serpiente. ............................................. 45

Figura 3-5. Geometría simplificada de una escama ventral. ........................................... 46

Figura 3-6. Ilustración esquemática de la definición de parámetros geométricos para la

caracterización de la textura superficial de la piel de serpiente. ..................................... 47

Figura 3-7. Ilustración de algunos parámetros morfológicos desde una vista transversal de

la fibrilla. ......................................................................................................................... 48

Figura 3-8. Fase I - Etapa de Caracterización de la piel de serpiente. ............................ 49

Figura 3-9. Montaje de una muestra de piel en silicona. ................................................. 50

Figura 3-10. Esquema de la configuración de contacto para los ensayos pin-disco, donde

se aplica carga normal y velocidad relativa. ................................................................... 50

X Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente

Figura 3-11. Direcciones de deslizamiento estudiadas con respecto a la orientación de la

textura superficial de las escamas ventrales. ................................................................. 51

Figura 3-12. Vistas superior y lateral de las herramientas utilizadas: A-C. Fresa de 10 mm

y B-D. Fresa de 0,3mm. ................................................................................................. 53

Figura 3-13. CENTRO DE MECANIZADO DE PRECISIÓN UMC-750 [96]. ................... 53

Figura 3-14. Software y maquina usada en la simulación-producción del código. .......... 54

Figura 3-15. Diseñados propuestos para dos distancias entre fila de ondas A) diseño D es

4 mm y B) el diseño E es 0.9 mm. .................................................................................. 57

Figura 3-16. Proceso de fabricación de texturas sobre SAE 52100. ............................... 58

Figura 3-17. Variables involucradas en ensayos tribológicos. ......................................... 59

Figura 4-1. Sección de piel sin tratamiento, Fotografía digital. ........................................ 61

Figura 4-2. Distribución ordenada de fibrillas. Hacia la izquierda se encuentra la cola y a la

derecha la cabeza. SEM. ............................................................................................... 62

Figura 4-3. Características morfológicas a) Lambda b) FAR c) Densidad por área, las

barras de error indican desviaciones estándar. .............................................................. 65

Figura 4-4. Perfil de alturas mostrando la variación de pendiente de las fibrillas en el eje

anteroposterior. La altura media de las fibrillas es de 66 ± 16 nm. AFM. ........................ 66

Figura 4-5. Imágenes AFM - fibrillas y conjunto de hoyuelos en las escamas ventrales de

la piel de serpiente en áreas de a. 10x10 μm, b.2x2 μm. ................................................ 67

Figura 4-6. Caracterización de cavidades: a) y c) Imagen en AFM de la piel en un área de

2 um x 2 um, b) y d) perfil de alturas. ............................................................................. 68

Figura 4-7. Daños de fibrillas en secciones de la piel, observados en a) SEM, b) AFM y c)

perfil elevación de fibrillas. ............................................................................................. 69

Figura 4-8. Coeficientes de fricción (COF) en la dirección Caudal-Craneal. ................... 71

Figura 4-9. Coeficientes de fricción (COF) en la dirección Craneal-Caudal. ................... 71

Figura 4-10. COF promedios de cada cuartil en ambas direcciones, las barras de error

indican desviaciones estándar ........................................................................................ 72

Figura 4-11. Micrografías en microscopio óptico del AISI 52100 obtenido comercialmente,

sin ningún tratamiento térmico, a aumentos de a) 10x, b)50x y c)100x .......................... 74

Figura 4-12. Micrografías en microscopio óptico del AISI 52100 obtenido comercialmente,

recocido a 790°C, templado a 850°C y revenido a 150°C, a aumentos de a) 10x, b)50x y

c)100x ............................................................................................................................ 75

Figura 4-13. Imágenes en LOM, fresa de 0,3mm de diámetro: a) Sin ningún uso y b - c - d

luego de la fabricación de superficies en vista lateral, superior y con inclinación. ........... 77

Contenido XI

Figura 4-14. Montaje en CNC y fabricación de texturas. ................................................. 78

Figura 4-15. Perfil transversal de la superficie fabricada para diseños tipo E. ................ 80

Figura 4-16. Micrografías SEM con magnificaciones de a) 10x, b)100x y c) 500x .......... 81

Figura 4-17. Imagen obtenida por LOM, rebaba almacenada en las ranuras. ................ 82

Figura 4-18. Montaje para fabricación de un par de texturas. ......................................... 84

Figura 4-19. Micrografías SEM en superficies recocidas y fabricadas bajo las condiciones

definitivas de operación .................................................................................................. 87

Figura 4-20. Inmersión de acero inoxidable por inmersión en decapante. Elaboración

propia. ............................................................................................................................ 87

Figura 4-21. Imágenes de las muestras texturizadas en LOM a)-b) Antes del templado y c)

y d) después del decapado............................................................................................. 88

Figura 4-22. Daños en LOM a) daño de borde al desprenderse la rebaba-b) y c) daño por

picadura. ........................................................................................................................ 89


y d) con grata de Nylon. ................................................................................................. 90

Figura 4-24. Micrografías SEM a) y b) fresa nueva c) fresa usada. ................................ 93

Figura 4-25. Curvas COF en seco para texturas tipo D con profundidad de a)-b) 40µm y c)-

d) 60µm. ......................................................................................................................... 96

Figura 4-26. Curvas COF en seco para texturas tipo E con profundidad de a)-b) 40µm y c)-

d) 60µm. ......................................................................................................................... 97

Figura 4-27. Curvas COF con lubricante para texturas tipo D con profundidad de a)-b) 40µm

y c)-d) 60µm. .................................................................................................................. 98

Figura 4-28. Curvas COF con lubricante para texturas tipo E con profundidad de a)-b) 40µm

y c)-d) 60µm ................................................................................................................... 98

Figura 4-29. Superficie sin textura ni tratamiento térmico (Blanco) con aumentos de a) 1x

y b)50x ........................................................................................................................... 99

Figura 4-30. Comparativo COF paralelo vs. perpendicular en seco. ..............................100

Figura 4-31. Comparativo COF paralelo vs. perpendicular con lubricante. ....................101

Figura 4-32. Comportamiento tribológico por categoría y condición: a) seco y b) lubricado.

......................................................................................................................................102

Figura 4-33. Superficie texturizada tipo D a), c), e) antes y b), d), f) después de las pruebas

pin-disco en condiciones de deslizamiento en seco. .....................................................104

Figura 4-34. Superficie texturizada tipo E a), c), e) antes y b), d), f) después de las pruebas

pin-disco en condiciones de deslizamiento en seco. .....................................................105

XII Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente

Figura 4-35. Bordes de las ranuras deformados por el desgate tribológico. Imágenes

tomadas en SEM con magnificaciones de a) y b) 100x y c) 1000x. ...............................106

Figura 4-36. Imágenes SEM de superficies ensayadas en condiciones lubricantes a) 30x,

b-c) 100x y d) 500x. .......................................................................................................107

Figura 4-37. Imágenes SEM superficies desgastadas a diferentes magnificaciones: a)

100x, b-c) 500x y d) 2000x. ...........................................................................................108

Figura 4-38. Perfil de las superficies texturizadas a)-c) Antes de los ensayos tribológicos,

b)-c) después de los ensayos tribológicos. ....................................................................109

Contenido XIII

Lista de tablas

Pág.

Tabla 2-1. Métodos de texturizado y diseños de superficies. Modificado de [56]. ........... 34

Tabla 3-1. Descripción de La especie analizada Pitón Real Albina [77], [80]–[82]. ......... 41

Tabla 3-2. Composición química nominal del acero AISI 52100 [83]. ............................. 41

Tabla 3-3. Composición química nominal del acero AISI H13. Valores suministrados por el

proveedor Uddeholm AB [84]. ........................................................................................ 42

Tabla 3-4. Resultados de viscosidad dinámica y cinemática para el aceite Repsol 10W40

....................................................................................................................................... 44

Tabla 3-5. Propiedades mecánicas: balsa – silicona [94], [95]. ....................................... 50

Tabla 3-6. Parámetros ensayos pin-disco para las pieles. .............................................. 51

Tabla 3-7. Condiciones fabricación en muestras cilíndricas............................................ 55

Tabla 3-8. Descripción Herramientas. ............................................................................ 55

Tabla 3-9. Valores específicos para micro mecanizado de texturas. .............................. 56

Tabla 3-10. Variables de entrada y sus niveles. ............................................................. 59

Tabla 4-1. Área y relación de aspecto para las escamas ventrales por cuartil. ............... 61

Tabla 4-2. Parámetros medidos en las imágenes obtenidas en el SEM. ........................ 63

Tabla 4-3. Parámetros característicos de la piel de serpiente para diseños de texturas . 70

Tabla 4-4. Variables de operación en la fabricación de texturas. .................................... 80

Tabla 4-5. Condiciones de operación definitivas para la fabricación de texturas. ........... 84

Tabla 4-6. Promedio alturas de ranuras ......................................................................... 86

Tabla 4-7. Análisis químico en la región espesor del recubrimiento. ............................... 93

Tabla 4-8. Análisis químico en la región del material base de la fresa ............................ 94

Tabla 4-9. Coeficientes de fricción promedio y desviación estándar en las dos direcciones

de deslizamiento. ........................................................................................................... 99

Tabla 4-10. Cambios en la profundidad de las superficies. ............................................110

1. Introducción

1.1 Antecedentes

La tribología como disciplina moderna de la ingeniería, definida oficialmente por Peter Jost

en 1966 [1] y desde sus inicios se registraron datos de gasto energético, mantenimiento,

reparaciones y demás directamente relacionados con la fricción. Es desde entonces,

donde investigaciones para abordar esta problemática presentaron gran interés, ejes

abordados como: investigación de materiales y la modificación de superficie incluyendo el

uso de recubrimientos y el texturizado; este último llama la atención para la realización de

este trabajo, ya que inicialmente los fabricantes y proveedores del área automotriz

centraban sus investigaciones y trabajos en reducir fricción por medio de modificaciones

estructurales como reducir el área de las superficies en contacto, así como la introducción

de recubrimientos , lubricantes y mejoras en diseño mecánico de diversos componentes

de los motores de combustión [2]–[4]. Sin embargo, en los últimos años los texturizados

de componentes del motor han desviado las miradas a trabajos de diseño de texturas y su

evaluación en pruebas tribológicas, sin dejar los trabajos de recubrimientos, los cuales han

presentado excelentes resultados.

Una breve revisión de los resultados de algunas investigaciones en las que se realizaron

ensayos aplicados a la industria automotriz centrados en los sistemas cilindro-pistón, bajo

la línea de investigación orientada al diseño de superficies texturizadas por diferentes

procesos que mostraron disminución de la fricción son presentados a continuación.

Sabeur, Ibrahim, Mohamed, & Hassan desarrollaron una estrategia para la reducción de la

fricción del juego de anillos a través de la optimización del acabado del revestimiento de

los cilindros basado en el acoplamiento de experimentos de rectificado y la predicción

numérica de fricción en régimen elastohidrodinámico [5]. Por otro lado, Grabon, Koszela,

Capítulo 1 15

Pawlus, & Ochwat mejoraron el comportamiento tribológico del sistema cilindro-pistón

realizando un texturizado superficial al revestimiento del cilindro, mediante la presencia de

hoyuelos creados por la técnica de pulido en la superficie del cilindro, lo cual llevó a una

disminución del coeficiente de fricción (COF) en comparación con revestimiento de cilindro

con superficies mates [6].

Yousfi, Mezghani, Demirci, & El Mansori fabricaron patrones de texturas elípticas y

circulares por el proceso de rectificado donde obtuvieron una reducción del 9% en fricción

para patrones de textura elíptica de gran tamaño orientados en la dirección longitudinal de

la dirección de deslizamiento del anillo (BLE) en el régimen de lubricación mixta con la

finalidad de mejorar la eficiencia de los motores de combustión. Las texturas son

elaboradas por un proceso de rectificado abrasivo con diferentes cinemáticas y

considerando tamaños y orientaciones diferentes (Ver Figura 1-1). Sin embargo, los

resultados reportados son a nivel de laboratorio y no han sido probados en condiciones

reales de un motor de combustión [7].

El aporte realizado por Shen y Khonsari fue un nuevo diseño de los anillos de pistón con

“bolsillos” para la reducción de la fricción. Bajo las condiciones de ensayo los bolsillos con

tamaño apropiado (relación de área AR=25%, profundidad=5 micras) alcanzaron las

mayores reducciones de fricción [8].

Gu, Meng, Xie, & Yang evaluaron texturizados tanto en el revestimiento como en el pistón

en condiciones de lubricación límite, para lo cual el texturizado del revestimiento fue

diseñado con medidas más pequeñas y uniformes que las del texturizado del pistón. Los

resultados mostraron reducción de la fricción [9]. Las texturas propuestas para los cilindros

fueron ranuras transversales, ranuras axiales, y micro agujeros. Los resultados de la

superficie con ranuras transversales disminuyeron las perdidas por fricción y

adicionalmente, esta superficie “funciona mejor que otros patrones de textura en más de

90% del ciclo de motor” [9].

16 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente

Figura 1-1 Texturizados con patrón circular y elíptico con orientación longitudinal y

transversal [7]

Vlădescu, Medina, Olver, Pegg, & Reddyhoff identificaron parámetros geométricos óptimos

de características rectangulares, a partir de variaciones de profundidad, amplitud y

densidad fabricados por medio del texturizado de superficie con láser (LST, por sus siglas

en inglés). Trabajaron texturizados en superficies del cilindro y evaluaron cada uno de los

parámetros hasta alcanzar reducciones de fricción significativas. Adicionalmente,

concluyeron que el efecto de la textura de la superficie es aumentar el espesor de película,

causando una reducción en contacto rugoso y por lo tanto una reducción en la fricción. La

disminución de la fricción alcanzada fue de aproximadamente 41% [10], [11].

Etsion & Sher realizaron mediciones en un motor de 2.500 cm3 con anillos de cromo

revestidos en forma de barril como referencia y luego lo comparan con anillos de pistón de

Capítulo 1 17

forma cilíndrica con texturizado láser. Estos últimos mostraron resultados de reducción

significativa de hasta el 4% en el consumo de combustible [12]. Yousfi demostró con

texturizados de patrones en forma de círculos y elipses que el comportamiento de la

fricción depende tanto del régimen de lubricación como de la orientación del texturizado

[7].

Braun, Greiner, Schneider, & Gumbsch trabajaron con el mismo método de los hoyuelos

siguiendo una matriz hexagonal solo que con lubricación mixta. Para medir el

comportamiento tribológico utilizaron un equipo pin-disco, lubricación con aceite a una

temperatura del sistema de 50°C o 100°C con el fin de imitar las condiciones realistas del

motor. [13].

Myint et al evaluaron los efectos de dos texturas fabricadas en la superficie de un polímero

sobre el rendimiento tribológico, medido en un tribómetro de bola sobre disco, los diseños

fabricados fueron: huella digital negativa en 3D y una textura tipo panal de abejas. Las

cargas utilizadas en esta investigación fueron 100mN, 300mN y superiores a 300mN,

donde las superficies texturizadas mostraron disminución de los coeficientes de fricción al

aumentar la carga normal de 100mN a 300mN, por encima de estos valores el COF de la

superficie de huella digital negativa aumentó (deformación plástica). Los COF alcanzados

bajo 100mN fueron: textura huella digital (μ=0.08), superficie con textura de panal (∼0.41)

y la superficie sin textura (∼0.2) [14].

Tang, Zhou, Zhu y Yang también trabajaron con un texturizado de superficie tipo “Agujero”,

sin embargo, estos presentan un análisis para conocer la óptima fracción de área del

“agujero” y de esta forma reducir la fricción y el desgate. “Los resultados indican una

fracción óptima de área-hoyuelo del 5%, puede generar la mayor presión hidrodinámica en

comparación con otras fracciones y se puede reducir la fricción y el desgaste hasta un 38%

y 72%, respectivamente” [15].


Figura 1-2. Diferentes texturizados desarrollados: “(a) imagen óptica del dedo utilizado

para transferir la textura de la huella dactilar, (b) Imagen 3D de Si / SU-8 / FP, (c)

esquema de Si / SU-8 / FP con dimensiones completas (sin escala), (d) una imagen

óptica de Si / SU-8 / HC, (e) imagen 3D de Si / SU-8 / HC y (f) un diagrama esquemático

de Si / SU-8 / HC con dimensiones completas (sin escala)”; tomado de [14].

Galda, Sep, & Prucnal investigan sobre las dimensiones de los hoyuelos y diferentes

densidades de área de los agujeros, con estos parámetros proponer las condiciones

óptimas para disminuir un mayor porcentaje del COF. Para los ensayos experimentales

realizados en un tribómetro pin - disco se obtuvo “la mayor reducción de aproximadamente

el 40% en comparación con las muestras no texturizado” y bajo condiciones de relación de

profundidad-diámetro de aproximadamente 0,11, densidad de área de Agujeros de 3% y

velocidad de deslizamiento de 0,02 m / s, [16].

A continuación, se realizarán algunas comparaciones con resultados encontrados en la

literatura para superficies texturizadas y la evaluación de sus propiedades tribológicas. En

el 2013 Segu et al [17] por medio de la técnica de texturizado laser (LST) fabricaron

superficies con un arreglo combinado de hoyos en forma de círculos y elipses sobre AISI

52100 como se puede ver en la Figura 1-3, evaluando la variación del tamaño y la

Capítulo 1 19

profundidad de estos, la velocidad de deslizamiento y la carga normal en condiciones de

lubricación y concluyeron que la muestra con un densidad de área texturizada del 12% fue

la que mejores resultados presento.

Cho, M. H. y Park, Sangil evaluaron el efecto de densidad de textura de la superficie del

polioximetileno sobre la fricción en un disco de AISI 52100, las texturas fueron

mecanizadas utilizando un micro-CNC y probadas en una configuración deslizante pin-

disco. Las densidades de textura implementadas fueron: 5%, 10%, 20% y 30%. Estos

investigadores encontraron que el coeficiente de fricción más bajo se obtuvo con una

densidad de textura del 10%, alcanzando reducciones en la fricción de aproximadamente

el 50% de la del POM sin textura [18].

Figura 1-3. Esquema de los arreglos de texturizado de la superficie

del láser para generar depósitos. Tomado de [17]

Pettersson y Jacobson investigaron la influencia de la orientación de ranuras y hoyuelos

cuadrados en el coeficiente de fricción y desgaste, fabricados por el método de litografía

combinada con grabado anisotrópico, aplicando una densidad de textura del 25% sobre la

superficie. Al igual que en nuestro caso las direcciones de deslizamiento que fueron

probadas son paralelo y perpendicular o como los define el autor longitudinal y transversal,

a pesar de las diferencias entre el proceso de texturizado, diseño de texturas, superficies

y equipo tribómetro, estos investigadores encontraron que las ranuras con orientación


transversal muestran un mejor comportamiento de fricción y desgaste que las ranuras con

orientación longitudinal, es decir, se logra un coeficiente de fricción bajo y estable, tal cual

sucede en esta investigación [19].

1.2 Justificación

A pesar de que la Tribología se define en palabras tan sencillas, es algo más esencial,

convivimos con esta ciencia y hace parte del entorno de nuestro día a día, como son los

sistemas mecánicos de ingeniería que ofrecen comodidad al ser humano. Cada uno de

ellos presenta índices de pérdida, desgaste, mantenimientos periódicos y demás actores

involucrados que afectan directamente la eficiencia y el rendimiento de estos en alguno de

los tres casos de lubricación (limite, mixta e hidrodinámica). Cómo podemos solucionar o

por lo menos atacar en algún porcentaje mínimo es donde se fundamenta la importancia

de estudiar dichos problemas desde el inicio de la palabra “tribología”. Es por tanto cómo

está ciencia ha ganado cada día mayor interés, abriendo puertas a investigaciones no

planteadas hasta el momento, su evaluación será crucial y definitiva para avances

estratégicamente escalonados para contribuir a este conflicto.

Una ciencia aliada como lo es la biomimética, que estudia características de la naturaleza

para dar solución a un problema ingenieril; ha tenido lugar analizando las escamas

ventrales de la serpiente, de gran importancia porque esta parte tiene contacto directo con

superficies de diferente naturaleza, además, es responsable de la respuesta de fricción del

reptil y la generación de tracciones de locomoción. Por estos motivos, varios autores han

realizado estudios de investigación enfocados en las características geométricas y

metrológicas de dichas escamas en especies diferentes [20]–[23].

Alexander E. realizo un estudio con el propósito de entender las interacciones entre las

“matrices de nanoestructura” de la superficie ventral de la piel de serpiente en su

comportamiento tribológico. En este documento ya se definió, que la piel es compuesta por

una microestructura periódica con ligeras variaciones, además, según la dirección de

deslizamiento estas microestructuras presentan pendientes cortas relativamente

profundas y pendientes lisas alargadas. Estas características fueron implementadas por

Alexander E. para realizar un modelo numérico de las propiedades de fricción de dichas

Capítulo 1 21

superficies con diversos tamaños de asperezas. Evidenciando comportamiento

anisotrópico de la piel, solo con sustratos con rugosidades menores o similares a las

dimensiones de la microestructura [24].

La caracterización de la piel de serpiente es transcendental para proponer parámetros

iniciales sobre el desarrollo de texturas superficiales; Ahora bien, la técnica apropiada para

texturizar y el desarrollo de ensayos tribológicos de las superficies texturizadas son de

suma importancia para obtener con ayuda de un diseño de experimentos el mejor

comportamiento de fricción. No obstante, estos factores deben presentar un buen acople

con el texturizado y demostrar el cambio de sus propiedades al trabajar condiciones

diferentes. El texturizado superficial desarrollado con parámetros apropiados de superficie,

geometría y dimensión (medidas), podrá reducir las pérdidas por fricción y desgaste en

aplicaciones de ingeniería [25].

El motivo para la selección de texturizado superficial radica en los múltiples beneficios

presentes en la superficies con micro-cavidades en la mayoría de los casos con forma de

hoyuelos, algunos de estos se describen como [26]: (1) mejora el flujo y retención de

lubricante [27], (2) recolección de material extraño o restos de desgaste para minimizar el

efecto de daños adicionales en las superficies [28], (3) la presión hidrodinámica aumentará

bajo lubricación hidrodinámica completa [29] y (4) disminuyen el área de contacto,

reduciendo la adhesión [30].

El método de mecanizado por control numérico computarizado (CNC) fue el seleccionado

para la fabricación de superficies con micro textura en acero AISI 52100, con el cual se

pudo obtener una eficiencia en el proceso. Sin embargo, otro proceso conocido como

mecanizado asistido por modulación (MAM) llamó la atención para la fabricación de

superficies sobre metal, porque presenta ventajas sobre mecanizado convencional [31],

como la mejora de la acción del fluido [32], mayor vida de la herramienta [33], la reducción

de la energía específica de corte [34], la reducción de los niveles de tensión [35], alta tasa

de producción [31], etc. Este método proporciona la disminución de la fricción, además

lleva a cabo la reducción del consumo de energía y de la contaminación del medio

ambiente. Lastimosamente este último método fue descartado, ya que no fue posible

realizar las texturas en el equipo mencionado, por lo tanto el mecanizado por el método de

CNC fue el escogido para esta investigación, éste también presenta algunas de las


ventajas anteriormente descritas, además, algunas publicaciones exhiben buenos

resultados tribológicos con texturas desarrolladas por mecanizado CNC [7], [36].

1.3 Planteamiento del problema

Las perdidas energéticas del 30% al 50% con cifras de hasta 126 millones de dólares para

estados unidos, y los daños graves que se producen en la operación de sistemas

mecánicos convencionales y en los materiales empleados para dicha aplicación producto

de la fricción, representan costos significativos tanto a nivel energético como monetario en

la fabricación y/o reparación de los elementos de máquinas, en estados unidos se estima

un valor de 10 millones de dólares por año [37]. La importancia de solucionar dicha

problemática se ve fundamentada en los efectos que la fricción genera indirectamente;

como, por ejemplo, el aumento del consumo de combustible, que a su vez incrementa la

generación de gases de combustión como producto de la combustión de combustibles

fósiles como recurso energético que alimenta generalmente estos sistemas. Esto último es

especialmente pertinente en el entorno cercano debido a los altos índices de

contaminación presentes en la ciudad de Medellín en los meses de marzo-mayo y octubre-

noviembre de los últimos años, donde se reportan concentraciones de PM2,5 superiores de

31 y 27 µg/m3 (microgramos por metro cúbico de material particulado) reportados en las

estaciones de monitoreo de RedAire para el años 2017 y 2018, respectivamente [38]. Sin

embargo, para marzo del 2020 se reportaron valores superiores a los 56 µg/m3 [39], pese

a las directrices de la Organización Mundial de la Salud (OMS), donde se establece

concentraciones de PM 2.5 superiores a los 25 µg/m3 (promedio diario) como perjudicial

para la salud. En Colombia el límite máximo permitido es de 37 µg/m3. Además, se afirma

que el 80% de la contaminación es producida por “fuentes móviles” como el transporte de

los cuales el 69% proviene de volquetas y camiones [40]. Como lo expresa Holmberg en

una de sus publicaciones: “la energía utilizada para superar la fricción no deseada está

causando millones de toneladas de CO2 de emisiones por año. En los vehículos de

pasajeros alrededor de un tercio de todo el consumo de combustible se gasta para superar

la fricción” [41].

Por tal razón, la pregunta de investigación es: ¿Será posible modificar los coeficientes de

fricción entre materiales ampliamente utilizados en la industria de rodamientos, cojinetes y

Capítulo 1 23

otros sistemas mecánicos, mediante la texturización de las superficies usando diseños

bioinspirados?

Se presenta otro problema asociado al material de interés (AISI 52100) que impone un reto

para su texturizado debido a su alta dureza, la cual reduce la productividad y aumenta los

costos de fabricación. Por lo tanto, es fundamental encontrar condiciones de operación

adecuadas para el procesamiento de esta materia prima. En la Figura 1-4 se muestra el

número de documentos científicos encontrados en la literatura por medio de la plataforma

de búsquedas Scopus para dos temas específicos y de gran importancia, como:

texturizado de 52100 y micromecanizado CNC, los resultados obtenidos fueron de 38 y

175 documentos para los dos temas respectivamente. Sin embargo, los artículos

reportados desarrollan sus investigaciones por medio de diferentes técnicas y en las que

implementan procesos de mecanizado CNC en AISI 52100, evalúan los efectos de los

parámetros de corte sobre la vida a fatiga del acero [42], integridad de la superficie durante

el torneado [43], y finalmente mecanizado con CNC sobre el acero pero con muy baja

calidad superficial [44].

Figura 1-4. Resultados de la búsqueda de investigaciones publicadas.

Otra pregunta que surge con relación al texturizado del acero AISI 52100 es si existe una

relación entre los parámetros de mecanizado y las características de la textura obtenida.

Encontrar la respuesta a esta pregunta requiere generar el conocimiento suficiente para


definir si el proceso de interés es viable industrialmente, y si las superficies generadas

poseen un desempeño tribológico superior.

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo general

Desarrollar superficies determinísticas inspiradas en pieles de serpiente y comparar su

desempeño tribológico con el de superficies obtenidas de modo convencional.

1.4.2 Objetivos específicos

• Identificar parámetros geométricos inspirados en la caracterización de la piel de

serpiente con el fin de definir patrones determinísticos de texturizado.

• Fabricar superficies metálicas con textura determinística mediante técnicas de

mecanizado, tomando las características topográficas de la caracterización de la piel de

serpiente realizada previamente.

• Evaluar la respuesta tribológica de las superficies determinísticas obtenidas

comparada con los resultados de superficies estocásticas.

.

2. Marco teórico

La etimología del término Tribología proviene del verbo griego “tribos” que significa frotar

o deslizar y el sufijo “logos” que significa estudio de, con lo que se define que la tribología

es la ciencia que estudia el comportamiento de la fricción, el desgaste y la lubricación de

superficies en contacto deslizante/rodante. La palabra tribología fue implementada por un

comité del gobierno del Reino Unido en 1966, este comité realizó un estimativo de

disminución de costos en dicho país considerando el conocimiento de los principios

tribológicos y aplicándolos en las industrias, posteriormente fue aplicado en otros países,

desde allí se genera la idea de invertir en investigación sobre el área de la tribología que

producirían grandes porcentajes de ahorro reflejado directamente, donde los ejes centrales

propuestos fueron [1]:

• La reducción de fricción la cual, genera directamente disminución en los consumos

de energía.

• Disminuir mantenimiento y reemplazo de partes en los equipos,

• Disminuir averías

• Aumentos de vida útil en la maquinaria

• Aumentar eficiencias en las maquinarias

• Reducción de mano de obra

• Disminución costos de lubricantes

La tribología es una ciencia que integra varias áreas del conocimiento de la ingeniería

dentro de las más destacadas están: la mecánica, la ciencia de los materiales y la

ingeniería de superficies, de éstas puede desplegarsen otras áreas del conocimiento que

complementan la aplicación de esta ciencia dando soluciones ingenieriles a problemas de

aplicaciones industriales [45].


Existen casos particulares donde son necesarios valores de fricción altos, pero de manera

controlada, relacionado directamente con factores de seguridad, un ejemplo es el caso de

los automóviles en el sistema conformado por el neumático y la carretera, allí se pueden

encontrar coeficientes de fricción que están dentro del rango de 0.5 a 1.2, permitiendo

limitar la máxima aceleración y su mínima distancia para inmovilizar el vehículo. Pero hay

otros casos donde es deseable una baja fricción entre las partes deslizantes. Sin embargo,

un interés creciente no es tener valores bajos o altos de coeficientes de fricción, sino

garantizar que la fricción sea predecible con valores moderadamente constantes y no sea

perturbada por ruido en las medida o vibraciones [46].

2.1 Fricción

La fricción es definida como el resultado de una fuerza generada como resistencia cuando

se presenta un deslizamiento o una tendencia a deslizar en entre dos superficies,

materiales o cuerpos sólidos. Las superficies de las que hablamos pueden ser diferentes,

con características propias de su naturaleza.

Desde hace siglos se han venido realizando trabajos investigativos, pero es gracias a Da

Vinci y Amontons que se reconocieron las cuatro leyes básicas de fricción, enumeradas a

continuación [47]:

• “Existe una proporcionalidad entre la fuerza tangencial máxima antes del

deslizamiento y la fuerza normal cuando un cuerpo estático está sujeto a una carga

tangencial creciente”

• “La fuerza de fricción tangencial es proporcional a la fuerza normal en el

deslizamiento”

• “La fuerza de fricción es independiente del área de contacto aparente”

• “La fuerza de fricción es independiente de la velocidad de deslizamiento”

Se ha hablado de movimiento relativo, pero no se hablado de los dos movimientos que

pueden presentar, estos son: movimiento por deslizamiento y por rodadura. En esta

investigación nos centraremos en el movimiento relativo por deslizamiento. Suponiendo un

caso específico, donde una fuerza tangencial es aplicada en un cuerpo generando un

movimiento sobre el contra cuerpo que se encuentra estacionario. La relación entre esta

Capítulo 2 27

fuerza de fricción y la carga normal N se conoce como el coeficiente de fricción, y

generalmente se denota con el símbolo μ [48].

𝜇 =𝐹

𝑁 Ecuación 1

Para aplicaciones de sistemas deslizando en ausencia de lubricante y en presencia de

aire, implementando materiales comunes, el valor de μ se encuentra en el rango

aproximado de 0.1 a 1. A continuación se presentan tres hechos básicos [1].

TIPOS DE FUERZAS DE FRICCION

Fuerza de fricción estática: Es una fuerza mayor que la fuerza aplicada, por lo tanto, no es

suficiente para iniciar el movimiento de un cuerpo estacionario, debido a las fuerzas de

interacción presentes en la superficie de los cuerpos y a la rugosidad microscópica.

Fuerza de fricción cinética: Es una fuerza opuesta a la dirección del movimiento y está

presente cuando las superficies en contacto están en movimiento relativo una respecto a

la otra. Permanece con magnitud constante.

INTERACCIÓN DE SUPERFICIE Y CAUSAS DE LA FRICCIÓN

Todas las superficies presentan parámetros de rugosidad que definen la topografía que

entra en contacto, las dos superficies entraran en contacto entre sus asperezas y se define

entonces el área real de contacto, la cual es varios órdenes de magnitud menor que el área

aparente de contacto. Superficies lisas permitirán la interacción atómica en las regiones de

áreas reales de contacto y producirán una fuerte adhesión. Cuando una superficie es más

dura que la otra, las asperezas formaran surcos en la superficie más blanda, es por esto

que podemos describir la fuerza de fricción como la sumatoria de estas fuerzas

mencionadas (fuerza para romper uniones adhesivas más fuerza para desplazar las

asperezas en una superficie mediante abrasión). Para superficies limpias, la adhesión

domina fácilmente. Para superficies lubricadas, la fuerza de abrasión será una fracción

apreciable de las fuerzas de fricción:

𝐹 = 𝐹𝑎𝑑ℎ + 𝐹𝐴𝑟𝑎𝑑𝑜 Ecuación 2


Trabajando con metales de propiedades similares, se presentan uniones muy fuertes,

debido al endurecimiento por trabajo durante el cizallamiento: por lo tanto, pueden

extraerse fragmentos grandes de ambas superficies. Por esta razón, no es recomendable

realizar trabajamos con metales similares, es recomendable elegir materiales duros que

no se endurezcan, aún más, durante el deslizamiento y ostente ductilidad limitada.

En la Figura 2-1 se encuentran los mecanismos microscópicos involucrados en la

generación de fricción: adhesión, interacciones mecánicas de asperezas superficiales,

arado de una superficie por asperezas de un material más duro, deformación y/o fractura

de capas superficiales como óxidos, y deformación plástica local causada por tres cuerpos,

principalmente partículas de desgaste aglomeradas, atrapadas entre las superficies

móviles [49].

Figura 2-1. Mecanismos a nivel microscópico que generan fricción. (a) Adhesión. (b) Arado. (c) Deformación y fractura de óxidos. (d) Partícula de desgaste atrapada. Modificada del HandBook Volumen 18 [49].

Capítulo 2 29

LAS LEYES DE LA FRICCIÓN EN SECO [50]

El componente de adhesión de la fricción se puede estimar de la siguiente manera: i el

área real de contacto es A y la resistencia a la corte específica de la unión es s, tenemos

𝐹 = 𝐴𝑠 Ecuación 3

Donde: - A, área real de contacto

- 𝑠, la resistencia especifica al corte de la unión

En un par deslizante dado, 𝑠 es aproximadamente constante. A es proporcional a la carga

para un rango muy amplio de condiciones de superficie, y no depende destacadamente

del tamaño total de los cuerpos, como ya se ha mencionado la fuerza de fricción también

es proporcional a la carga, pero independiente del tamaño de los cuerpos. Estas son las

dos leyes básicas de la fricción seca. Con metales donde las regiones de contacto fluyen

plásticamente

𝐴 =𝑁

𝑝 Ecuación 4

donde 𝑝 es la presión de fluencia o dureza del metal más blando. Luego, reemplazando la

Ecuación 3 y Ecuación 4, en la Ecuación 1. Nos queda, que el coeficiente de fricción esta

dado por:

𝜇 =𝑠

𝑝 Ecuación 5

Con un orden de 𝑝 igual a 5 𝑠, en el caso de sólidos dúctiles, 𝑝 es del orden 5s, por lo tanto,

queda un valor 𝜇= 0.2. La mayoría de los metales en el aire tienen valores más cercanos

a 𝜇= 1. Dos razones justifican lo anterior, Primero, el endurecimiento por trabajo durante el

corte puede aumentar 𝑠 en las capas superficiales sin afectar apreciablemente a 𝑝. En

segundo lugar, la combinación de las tensiones normales y tangenciales, puede influenciar

directamente sobre el área de contacto, incrementándolo y, esto causara un crecimiento


de la unión. Lo anterior, puede estar muy relacionado con metales dúctiles limpios y puede

conducir a enormes coeficientes de fricción o incluso a una gran rigidez.

2.2 Mecanismos de desgaste

El desgaste es el resultado de la interacción mecánica entre dos cuerpos en contacto que

están en movimiento relativo (deslizante o rodante) y bajo una carga normal, por lo cual se

genera una pérdida de material en cada superficie. El desgaste tiene lugar en las zonas

interfaciales que alcanzan niveles altos de estrés, en donde, se observan fallas mecánicas,

factores ambientales influencian sobre la forma de falla. Los mecanismos de desgaste

pueden ser descritos procesos adhesivos y transferencia de partículas entre las superficies

en contacto; producción de partículas (Abrasivo) y, falla por fatiga superficial. Esta sección

estará enfocada a los primeros dos mecanismos de desgaste, ya que, son los que

comprende esta investigación. Los tres mecanismos de desgaste suceden en la interfaz

de los sólidos por la transferencia de tensiones, aunque, en fluidos también pueden

presentar tensiones elevadas a velocidades de impacto altas, dando lugar a otros dos

mecanismos de desgaste conocidos como erosión y cavitación. Se puede mencionar el

desgaste químico, aunque éste influye en todo el ámbito de la tribología, se debe tener en

cuenta que para considerarse un mecanismo de desgaste debe ir acompañado de una

acción mecánica [50].

DESGASTE ADHESIVO

La adhesión expresada como la fuerza de atracción aplicada entre las estructuras

atómicas, genera la formación de enlaces y asegura dichas uniones entre átomos y/o

superficies en contacto. Adhesiones fuertes y sin necesidad de cargas normales son

presentes en superficies limpias con estructuras cristalinas. En el caso donde la superficie

este contaminada, la adherencia se verá afectada, lo mismo sucede cuando las superficies

presentan carga normal y deslizamiento entre estos, favoreciendo la rotura de películas

superficiales, caso particular de las películas de oxido donde se presentan deformación

plástica por presencia de altas cargas.

El coeficiente de fricción, dado como la relación entre la fuerza de fricción y la carga,

basado en que, la fuerza (fricción) requerida para romper uniones es proporcional a su

Capítulo 2 31

área total, y esta, es proporcional a la carga en condición de contacto plástico. El

coeficiente de fricción no es una propiedad fundamental de un par de materiales, justificado

por lo mencionado anteriormente: “materiales con similar estructura cristalina presentan

adhesiones fuertes sin necesidad de carga”. Ahora bien, la teoría de la plasticidad predice

el crecimiento del área de contacto entre dos superficies en deslizamiento, dichas

superficies ostentan un estado de contacto plástico. Cualquier grado de contaminación

puede reducir la resistencia al corte de la interfaz impidiendo el crecimiento del área unida.

También, se ínsita el crecimiento de las regiones de contacto implementando superficies

de contacto heterogéneo. Todo esto se puede entender mejor con la ayuda de la Figura

2-2.


Figura 2-2. Desgaste adhesivo. Tomado de [50].

La formación de una unión, también conocida como “soldadura en frío”, forma parte inicial

del mecanismo de desgaste, mas no se genera pérdida de material dentro del sistema;

esta unión puede ser fortalecida gracias al endurecimiento por trabajo. Cuando el corte

ocurre, hay lugar a la transferencia material de una superficie a otra. La transferencia de

material es el resultado producido por una fractura, pero no se produce desgaste hasta

que un mecanismo secundario rompa esta partícula. Frecuentemente se forman grupos de

partículas y se separan como una sola entidad. La etapa final del proceso de desgaste

puede ser explicada como es que la ruptura ocurre cuando la energía elástica simplemente

Capítulo 2 33

excede la energía de la superficie; este último se reduce considerablemente por la reacción

ambiental [51], [52].

La mayoría de procesos de desgaste empiezan con mecanismos adhesivos, pero cuando

ese proceso se ve favorecido por la generación de desechos “debris” conduce

directamente a la posibilidad de que cambie a abrasión, los desechos pueden conformarse

como óxidos, productos duros altamente abrasivos, que por medio del deslizamiento

pueden empezarse a aglomerar en las superficies derivando disminución en las tasas de

desgaste, ya que, actúan como un amortiguador entre las dos superficies. El desgaste

posterior puede ocurrir por abrasión o por fatiga [50].

DESGASTE ABRASIVO

Es el desgaste ocasionado por las protuberancias o partículas duras y con geometrías

angulosas o agudas. Los abrasivos generalmente generan daño mediante corte

caracterizado por una gran cantidad de deformación y desplazamiento del material.

Durante la abrasión de metales es común la ocurrencia de endurecimiento por trabajo,

generando granos abrasivos con una dureza mayor a la superficie del metal, existiendo

una relación entre la resistencia al desgaste y la dureza. La Figura 2-3 muestra un

diagrama de dureza vs resistencia al desgaste abrasivo para metales puros y el efecto del

tratamiento térmico y del endurecimiento por trabajo [50].

Por último, partículas unidas a alguna superficie opuesta y con liberta para deslizarse y

rodar entre dos superficies pueden también generar desgaste por abrasión, sin embargo,

partículas rodando causan menores desgastes. La magnitud y el tipo de desgaste depende

directamente del ángulo de impacto de las partículas y del nivel de ductilidad, fragilidad o

elasticidad de la superficie [50] [51], [52].


Figura 2-3.Desgaste abrasivo aspectos generales. Modificado de [50]

2.3 Texturizado de superficies

Los métodos de texturizado de superficies se pueden clasificar de acuerdo con sus

características físicas y a sus principios de operación, algunas de estas técnicas y diseños

desarrollados se pueden encontrar en la Tabla 2-1, la técnica con mayor cantidad de

investigaciones y que más ha llamado la atención se llama texturizado superficial con láser

(LST, por sus siglas en inglés: Laser Surface Texturing), sin embargo, en los últimos años

hay otras técnicas como impresión 3D que han ganado fuerza en múltiples sectores como

el automotriz, alimentación, medicina, defensa, aeroespacial y arquitectura [53]–[55] .

Tabla 2-1. Métodos de texturizado y diseños de superficies. Modificado de [56].

Capítulo 2 35

Característica física

Técnica Forma

texturizada [57]

Adición de material

Electrodeposición, fotolitografía, impresión 3D, oxidación térmica, ataque micro-electrolítico [14],

[19], [54], [55], [58], [59].

Cuadrados Círculos

Hexágonos Ranura

Remoción de material

LST (Laser Surface Texturing) [60]–[65]

Círculos Elipses Rombos Ranuras

LBM (Laser Beam Machining) [66]

Micromecanizado, CNC, Fresadora, Torneado [67], [68]

Ranuras Círculos

Mecanizado electroquímico

Electroerosión [69]

Abrasive Jet Machining [66] Círculos

Desplazamiento mecánico

Indentación [18] Ranuras Rombos

El mecanizado con control numérico por computadora (CNC) es una tecnología

especializada en producción de componentes y piezas con alta precisión y complejidad

dimensional. El CNC puede acoplarse a una amplia variedad de equipos categorizados en

el área de remoción de material, tales como tornos, fresadoras, centros de mecanizado,

taladradoras, punteadoras, mandrinadoras, rectificadoras, punzonadoras, máquinas de

electroerosión, etc.” [70].

Para este estudio se hizo énfasis en dos técnicas que se fundamentan en la remoción

mecánica de material, alcanzando texturas con alta definición y excelentes propiedades

tribológicas, conocidas como:

Texturizado por mecanizado asistido por computador (CNC):

El mecanizado de 5 ejes proporciona infinitas posibilidades en cuanto a los tamaños y

formas de las piezas que puede procesar de manera eficaz. El término "5 ejes" se refiere

al número de direcciones en las que se puede mover la herramienta de corte. En un centro

de mecanizado de 5 ejes, la herramienta de corte se mueve a través de los ejes lineales

X-Y-Z, y gira sobre los ejes A y B para acceder a la pieza de trabajo desde cualquier

dirección. En otras palabras, usted puede procesar las cinco caras de una pieza en un solo


montaje [71], en la Figura 2-4 se muestra un ejemplo práctico de la fabricación de

superficies en un centro de mecanizado de 5 ejes.

A continuación, se enumera las ventajas y razones por las cuales se escoge este método

de texturizado, con el cual podremos desarrollar texturas complejas con mayor precisión y

de tamaño micrométrico en superficies con diferentes formas como, por ejemplo: cilindros,

ruedas, etc.

Ventajas del mecanizado de 5 ejes [71]–[73]:

• El mecanizado de formas complejas en un solo montaje aumenta la productividad

• Se ahorra tiempo y dinero con una menor preparación de los accesorios

• Aumenta el rendimiento y el flujo de efectivo, y al mismo tiempo reduce los plazos

de entrega

• Mayor precisión de las piezas porque la pieza de trabajo no se desplaza a través

de varias estaciones de trabajo

• Posibilidad de utilizar herramientas de corte más cortas para altas velocidades de

corte y menor vibración de la herramienta

• Logra acabados de superficie superiores y mejor calidad general de la pieza

Figura 2-4. Esquema del equipo para texturizar por CNC. Tomado de [74].

Texturizado por mecanizado asistido por modulación (MAM):

Capítulo 2 37

Después de hacer una revisión sobre los autores que trabajan este método se obtienen

resultados de un grupo destacado de autores enfocados en parámetros para hacer de este

método uno de los más llamativos para texturizar, por ejemplo: Chandrasekar en su

trayectoria de investigación presenta:

• Reducciones de hasta el 70% de la energía en relación con que en el mecanizado

convencional trabajando a bajas frecuencias (<1000 Hz) y con metales dúctiles

tales como el cobre y Al 6061T6 [34].

• En una investigación más reciente realiza en el mapeo in situ de flujo de material

en alta resolución usando campos y líneas de tensión, mediciones simultáneas de

movimientos de la herramienta y fuerzas, de tal manera que las fuerzas

instantáneas y la cinemática se pueden sobreponer sobre el proceso de formación

de viruta [35]. Un esquema del equipo se presenta en la Figura 2-5.

• Desarrolla un modelo analítico para la predicción de topografía de la superficie, que

tiene en cuenta las geometrías de herramienta, las condiciones de modulación y

los efectos del flujo lateral de corte del plástico, entre los resultados medidos y los

resultados predichos se presenta un error alrededor del 20%. Este modelo puede

servir como una base teórica para el posterior control de la morfología y la

topografía de la superficie de la viruta [31].

Figura 2-5. Equipo para texturizar por MAM (Modulation

Assisted Machining). Modificado de [34].

3. Materiales y métodos

La metodología utilizada para la ejecución de la tesis se sintetiza en las siguientes cuatro

etapas: caracterización de la piel de serpiente, texturizado, pruebas tribológicas,

finalmente, análisis y síntesis de resultados. Todas las actividades de cada etapa

metodológica son desarrolladas en serie como se observa en la Figura 3-1.

Figura 3-1. Descripción esquemática de las etapas metodológicas de la tesis.

I. Etapa de caracterización de la piel de serpiente: En esta etapa se desarrolla

toda la caracterización de la piel de serpiente con el propósito de identificar

patrones que puedan servir como referente geométrico para el diseño de las

texturas. Se dividió en 2 fases descritas en la Figura 3-8 y enumeradas a

continuación:

A. Preparación de Pieles: Las pieles se clasificaron en 4 zonas (llamadas

cuartiles en esta investigación) con secciones que van desde la cabeza hasta

la cola, tal como es reportado por Abdel-Aal y colaboradores [75]. Estos autores

justifican la división en zonas acorde con “el perfil funcional de cada posición en

Caracterización piel de serpiente

•Preparación de muestras

•Morfología, topografía y tribología

Texturizado

•Diseño de la textura

•Técnicas de Mecanizado (CNC)

Pruebas tribológicas

•Diseño experimental

•Ensayos tribológicos

Análisis de resultados

Capítulo 3 39

las especies vivas” en donde cada región es asociada o representada por una

parte del cuerpo [75].

B. Morfología, topografía y tribología de las escamas ventrales de la piel: Una

vez clasificadas las zonas de estudio se utilizaron técnicas no destructivas como

microscopía óptica (LOM), microscopía electrónica de barrido (SEM) y

microscopía de fuerza atómica (AFM) para analizar las pieles. La

caracterización se realizó en dos niveles: macroscópico y microscópico. El

primer nivel comprende las medidas que van desde la simple vista hasta llegar

a las escamas como unidad, se contemplan medidas en magnitudes desde

centímetros hasta milímetros (inspección visual y LOM). A nivel microscópico,

se hace referencia a la estructura y subestructura de la piel, para este nivel se

contemplan medidas en magnitudes que van desde micrómetros hasta

nanómetros (SEM y AFM). Además, se realizó un montaje de la piel sobre una

superficie que permitiera desarrollar las pruebas tribológicas y que a su vez no

afectara los resultados, lo último se aborda con mayor precisión en la sección

3.2.2.

II. Etapa de texturizado: Esta etapa se divide a su vez en las siguientes fases: diseño

del texturizado y la fabricación de superficies texturizadas, descritos a continuación.

A. Diseño del texturizado: Con los resultados de la fase anterior fueron

seleccionados algunos parámetros geométricos como referentes para el

diseño de las texturas a construir. Los diseños poseen diferentes

magnitudes absolutas en comparación a las medidas obtenidas de las

escamas ventrales de la serpiente, pero se buscó conservar proporciones y

relaciones de aspecto. En la creación del diseño se tomaron en cuenta

limitantes propios del método de fabricación: manufactura por micro

mecanizado CNC, para evitar conflictos entre el diseño y la fabricación, las

cuales serán abordadas con mayor precisión en la sección 4.2.2.

B. Fabricación de superficies texturizadas: Las superficies se fabricaron en

un centro de mecanizado marca Haas UMC-750 - CNC en la Institución

Universitaria Pascual Bravo en la ciudad de Medellín. El mecanizado con

múltiples ejes fue necesario para obtener exactitud de todas las

dimensiones de forma automática configurada por un modelo


computarizado [36], [76].

Luego de fabricar las superficies se procedió a realizar su caracterización

morfológica (LOM, SEM, perfilometría de contacto). Además, se llevó a cabo

el análisis metalográfico en la zona mecanizada para descartar eventuales

variaciones microestructurales.

Las herramientas adquiridas para desarrollar las texturas fueron

caracterizadas mediante LOM y SEM- EDX.

III. Pruebas Tribológicas: Se realizó la evaluación del comportamiento tribológico de

cada una de las superficies desarrolladas usando el tribómetro pin-disco instalado

en el laboratorio de tribología y superficies de la Universidad Nacional de Colombia

Sede Medellín. Estos ensayos tribológicos suministraron información del

coeficiente de fricción (COF) y permitieron entender los mecanismos de desgaste

dominantes para las condiciones de ensayo.

Los pines de acero AISI 52100 empleados tienen una geometría cilíndrica cara

plana con longitud de 16,6 mm y diámetro de 10 mm. El contra cuerpo es un disco

de acero AISI H13 con espesor de 8 mm y diámetro de 21 cm. Durante los ensayos

se realizaron mediciones de fricción. Las pruebas se realizaron con carga normal

de 50 N en condiciones de deslizamiento con y sin lubricación, tiempo de ensayo

de una hora y velocidad de deslizamiento de 0,5 m/s.

Finalmente se procedió a comparar los resultados de fricción obtenidos por las

superficies convencionales (sin tratamiento y sin texturizado) y se compara con los

obtenidos sobre las superficies determinísticas (con tratamiento y texturizado). Para

identificar los mecanismos de desgaste involucrados en el proceso fue necesaria la

caracterización LOM y SEM de las superficies ensayadas.

3.1 Materiales:

3.1.1 Piel de serpiente

Se seleccionó como material de estudio la piel de serpiente de la especie Pitón Real Albina

caracterizada por habitar en bosques abiertos, praderas de sabana y matorrales [77], [78].

Capítulo 3 41

El aspecto de la serpiente y las características principales se muestran en la Figura 3-2 y

Tabla 3-1 respectivamente. Es importante aclarar que las muestras usadas en esta

investigación fueron obtenidas luego de un proceso natural de muda de piel en el cual no

se realizaron ensayos o análisis sobre los animales.

Figura 3-2. Aspecto de la especie Pitón Real Albina [79].

Tabla 3-1. Descripción de La especie analizada Pitón Real Albina [77], [80]–[82].

Nombre común Pitón bola / Pitón real

Nombre científico Python Regius

Familia Boidae

Género Python

Especie Python Regius

Longitud 120-180 cm

Peso 1.3 kg aprox., adultos alcanzan los 5 kg.

Posición geográfica Oeste de África central, zona tropical de África

Hábitat Bosque, prados y matorrales

3.1.2 Aceros para el par tribológico

Se extrajeron muestras de acero SAE 52100 con dimensiones de 10 mm de diámetro por

16,6 mm de altura de agujas provenientes de un rodamiento marca Pésaro utilizado en

cajas de cambio de transmisión modelo (ZF) 16S-1650. La composición química nominal

del acero AISI 52100 se presenta en la Tabla 3-2.

Tabla 3-2. Composición química nominal del acero AISI 52100 [83].

% en peso


Número UNS

Número SAE-AISI C Mn P S Si Cr

G52986 52100(b) 0.98−1.10 0.25−0.45 0.025 0.025 0.15-0.35 1.30-1.60

El contra cuerpo definido para evaluar tribológicamente las texturas fabricadas sobre los

pines de acero AISI 52100 fue el acero AISI H13. En la Tabla 3-3 se encuentra la

composición química del acero AISI H13 suministrada por el proveedor Uddeholm AB,

productor multinacional de acero para herramientas de alta aleación. Luego de un

tratamiento térmico definido por un proceso de austenización a una temperatura de 1025°C

con un tiempo de mantenimiento de 30 minutos y 2 revenidos a 250°C y tiempo de

mantenimiento 3 y 2 horas, su dureza pasó de 20 a 58-60 HRC. El tratamiento térmico fue

realizado por la empresa Templamos S.A.S.

Tabla 3-3. Composición química nominal del acero AISI H13. Valores suministrados por el proveedor Uddeholm AB [84].

Número SAE-AISI % en peso

C Si Mn P S Cr Mo V

H13 0.39 1.0 0.4 0.017 0.0002 5.2 1.4 0.9

Para poder mecanizar el acero AISI 52100 se sometió a un tratamiento térmico de recocido

bajando su dureza, y una vez se obtuvieron las superficies texturizadas se templaron y

revinieron para lograr la dureza adecuada para las pruebas tribológicas. Las siguientes

indicaciones fueron basadas en el ASM Handbook volumen 4: tratamientos térmicos [85]

y en recomendaciones de literatura de tratamientos térmicos de aceros [86]:

Proceso de recocido: Se seleccionó una temperatura de 790°C durante una hora y

enfriamiento en horno. Usualmente el tiempo mínimo descrito en la literatura para muestras

de espesores hasta 25 mm es de 1 hora [85] [86].

• Proceso de temple: calentamiento a 850°C por un tiempo de 2 horas y enfriamiento en

aceite.

• Proceso de revenido: Calentamiento a 150°C por una hora y enfriamiento en aceite. Se

seleccionó dicha temperatura usando la curva de revenido mostrada en la Figura 3-3.

Capítulo 3 43

Figura 3-3. Dureza vs Temperatura de revenido para AISI 52100. Tomado de [87].

Con el propósito de analizar las propiedades microestructurales de los materiales

estudiados en la presente tesis se realizó análisis metalográfico convencional cuyos

detalles más relevantes se describen a continuación.

• Proceso de corte: Se utilizaron dos equipos de corte, una cortadora de

disco abrasivo marca Struers Discotom para el corte de los cilindros con un

plano paralelo a la base y el equipo de corte Buehler Isomet 1000 con disco

de diamante para los cortes perpendiculares a la base. Las condiciones de

operación para la Isomet 1000 fueron 5 gramos fuerza (gf) de carga y una

velocidad de 100 RPM, con refrigerante.

• Montaje en baquelita: Para el montaje se utilizó una prensa de montaje en

caliente, para la cual se definió un ciclo de calentamiento de 7 minutos y de

enfriamiento de 4 minutos.

• Proceso de pulido: Cada probeta se preparó superficialmente mediante el

uso de papeles abrasivo de grano decreciente desde n. 450 hasta

1200.Subsecuentemente las muestras fueron pasadas por paños con

partículas de alúmina de 3 μm y, por último, las muestras fueron lavadas

para retirar partículas producto del pulido y secadas con aire frío.


Para la fase de observación se realizó un ataque químico con Nital al 5% por 5 segundos

permitiendo revelar las características microestructurales específicas para su posterior

evaluación en microscopio óptico (LOM).

3.1.3 Lubricante

Se realizó el análisis de viscosidad del aceite multigrado Repsol 10W40 implementado en

los ensayos tribológicos. Se realizaron las medidas en el viscosímetro Brookfield DV - II +

pro, con un baño termostático TC – 650 para mantener la temperatura constante [88]. Se

seleccionaron como temperaturas de medida las reportadas por el fabricante,

correspondientes a 40 °C y 100 °C. Los parámetros de ensayo fueron los siguientes:

● Velocidad inicial husillo: 5 rpm

● Número de ciclos: 30

● Aumento de velocidad en cada ciclo: 5 rpm

● Tiempo entre ciclos: 30 segundos

En la Tabla 3-4 se muestra el promedio de los datos obtenidos en los ensayos del

viscosímetro, se obtiene el valor de la viscosidad dinámica en centipoise cP; al dividirlo por

la densidad del aceite se halla la viscosidad cinemática en centistoke cSt. Además, se

reporta la desviación estándar de los datos. Ahora bien, con los valores reportados en la

ficha técnica del fabricante se realiza un comparación y verificación, por lo tanto, para una

temperatura de 40 °C se adquirió un valor de 87,247 cSt y Repsol reporta un valor de 91

cSt y para una temperatura de 100 °C el viscosímetro reporto valores de 13,63 cSt,

mientras el fabricante 13,5 cSt. Como se expone, la variación de los resultados

comparados es mínima y al cumplir con las condiciones, se procedió a realizar las pruebas

en el tribómetro pin disco.

Tabla 3-4. Resultados de viscosidad dinámica y cinemática para el aceite Repsol 10W40

Temperatura (°C)

Viscosidad dinámica (cP)

Viscosidad cinemática (cSt)

Desviación estándar

0 746,95 857,57 2,42

40 75,99 87,25 1,83

45 58,85 67,57 2,59

Capítulo 3 45

100 11,88 13,64 1,67

3.2 Caracterización de la piel de serpiente

Para la caracterización de las pieles se realizó un seccionamiento en cuartiles, en cada

cuartil de la piel de la serpiente se evaluaron diferentes parámetros morfológicos. Debido

a que el tamaño de las escamas de la piel varía según la posición del cuerpo del animal,

no se pudo definir un número de escamas ventrales fijo para cada cuartil y se determinó

establecer un tamaño constante para todos los cuartiles con la finalidad de facilitar el

ensamble de la piel para los ensayos tribológicos. El número de escamas para cada uno

de los cuartiles fue: Q1:7, Q2: 8, Q3: 8 y Q4:7, la variación de sección en las zonas de las

extremidades se debe a la reducción del tamaño de las escamas en dichas zonas.

3.2.1 Caracterización morfológica y topográfica

La microestructura de las escamas ventrales se caracterizó por medio de microscopía

óptica (LOM), microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía de fuerza atómica

(AFM). En la Figura 3-4 se especifican las diferentes escalas de magnificación empleadas

en la caracterización morfológica de la piel estudiada en el centro de las escamas

ventrales.

Figura 3-4. Escala caracterización en la piel de serpiente.


Inicialmente se realizaron las observaciones de la estructura superficial en escala

milimétrica mediante la técnica de microscopia óptica, usando un estéreo microscopio

Nikon Eclipse y por medio del software Image J se realizaron las mediciones

correspondientes a cada uno de los parámetros seleccionados. Se definió como geometría

característica un hexágono para representar la escama ventral de las serpientes

estudiadas (ver Figura 3-5), las medidas tomadas fueron la longitud (l) y el ancho del

hexágono (w).

Figura 3-5. Geometría simplificada de una escama ventral.

La relación de aspecto de las escamas ventrales (VSAR = Ventral Scale Aspect Ratio) se

define como:

𝑉𝑆𝐴𝑅 =𝑙

𝑤 Ecuación 6

Analizado las micrografías tomadas sobre el interior de las escamas se encontró que la

piel presenta unas microestructuras ondulantes con distribuciones específicas para cada

cuartil. Esta microestructuras son llamada fibrillas; y han sido ampliamente reportadas en

la literatura [20], [82], [89], [90]. En la Figura 3-6 se presenta una micrografía obtenida por

SEM en la piel de la serpiente de interés. Se puede observar que diferentes parámetros,

relacionados a las fibrillas, pueden ser identificados y cuantificados:

• ζ: Longitud de la fibrilla

• 𝜔: Ancho de la fibrilla

• 𝐷: Separación entre fibrillas

• λ: Separación media entre filas de fibrillas

Capítulo 3 47

Figura 3-6. Ilustración esquemática de la definición de parámetros geométricos para la caracterización de la textura superficial de la piel de serpiente.

En la literatura [20], [82], [89], [90], se han propuesto diferentes relaciones geométricas

basadas en los anteriores parámetros morfológicos, anteriormente presentados, para

caracterizar las fibrillas, entre los que se encuentran:

• Densidad de fibrillas, referida a la cantidad de estas protuberancias por unidad de

área o longitud.

• Relación de aspecto de las fibrillas (𝜻/𝝎) FAR por sus siglas en inglés (Fibril

Aspect Ratio), que informa acerca de la forma de las protuberancias a partir del

cociente entre su longitud y su ancho.

• Separación media entre filas de fibrillas, λ, de especial interés en las especies

en las que se observan arreglos de subestructuras de fibrillas en hileras.

Al igual que los parámetros morfológicos anteriores (ζ, 𝜔, 𝐷 y λ) existe otro parámetro que

describe la altura de la fibrilla, llamado “altura de la punta de fibrillas” (h), medida hasta el

punto más alto del relieve de la microestructura. En la Figura 3-7 se presenta una

ilustración del parámetro h.


Figura 3-7. Ilustración de algunos parámetros morfológicos desde una vista transversal de la fibrilla.

El análisis a escala microscópica de las escamas ventrales de la piel se realizó por medio

de un microscopio electrónico de barrido Carl Zeiss EVO MA 10 con voltajes de aceleración

en un rango entre 4 y 10 KV. Para realizar este ensayo las muestras fueron recubiertas

con una capa nanométrica de oro/paladio por medio de deposición física de vapor en un

equipo Quorum Q150R ES.

Por medio de microscopía de fuerza atómica se analizaron las características topográficas

de las escamas a escala nanométrica en un equipo Park NX10, en modo no contacto a

una tasa de escaneo de 0.6 Hz en un área cuadrada de 25 µm.

En la Figura 3-8 se resume la etapa de caracterización desarrollada en la piel de serpiente,

luego de ser definidas cada una las técnicas implementadas y las siglas definidas para

identificar los parámetros característicos, hasta los dos tipos de texturas fabricadas y

definidas bajo la nomenclatura, Text. D y Text. E.

Capítulo 3 49

Figura 3-8. Fase I - Etapa de Caracterización de la piel de serpiente.

3.2.2 Caracterización tribológica

En esta sección se realizó un procedimiento ensamblando muestras de piel sobre silicona

con el propósito de darle soporte elástico a la piel durante los ensayos, los experimentos

del montaje de la piel fueron ejecutados siguiendo como base el procedimiento abordado

por E. L. Ballantyne y H. A. Abdel-Aal [91]. Las muestras a se pusieron en contacto con

madera de balso en el tribómetro pin-disco y se midió el coeficiente de fricción generado

por el par piel/balso. Las Figura 3-9 y Figura 3-10 muestran el aspecto típico de una

muestra y un esquema simplificado de la máquina de ensayos.


Figura 3-9. Montaje de una muestra de piel en silicona.

La madera es conocida como “balso” porque los indígenas utilizaban este tipo de madera

en la construcción de balsas, pero su nombre científico es Ochroma pyramidale o también

llamada Ochroma lagopus. Es una de las maderas más ligeras y resistentes, por lo tanto,

tiene diversas aplicaciones en la industria. En la Tabla 3-5 se especifican algunas

propiedades mecánicas encontrada en la literatura para los materiales implementadas

para los ensayos pin-disco (la madera y la silicona) [92], [93].

Tabla 3-5. Propiedades mecánicas: balsa – silicona [94], [95].

Material Propiedades Kg/cm2

Madera: Balso

Resistencia a la flexión 190 Resistencia a la compresión 100

Resistencia a la tracción 26 Módulo de elasticidad 26800

Silicona

Resistencia mecánica a la compresión 101.97-305.91

Resistencia mecánica a la tracción 24.47-56.08

Módulo elástico 51-203.9

Coeficiente de Poisson 0.47-0.49

Figura 3-10. Esquema de la configuración de contacto para los ensayos pin-disco, donde se aplica carga normal y velocidad relativa.

Capítulo 3 51

Los ensayos pin-disco se llevaron a cabo en dos direcciones con respecto a la piel:

dirección, caudal-craneal (T-H; por sus siglas inglés Tail-Heat) correspondiente al

movimiento del cuerpo de la serpiente hacia adelante, y la dirección opuesta o craneal-

caudal (H-T). La Figura 3-11 se ilustra la diferencia haciendo énfasis en la direccionalidad

de los elementos de textura (fibrillas).

Tabla 3-6. Parámetros ensayos pin-disco para las pieles.

Parámetros Magnitud

Carga 2.52 N Velocidad de deslizamiento (m/s) 0.1 Tiempo (minutos) 10 Pin Piel Contra cuerpo Madera-Balso Rango de temperatura 19-25 °C Rango de humedad relativa 35–54%

La carga normal fue definida a partir del peso medio por unidad de longitud de la especie

estudiada, trabajando con la información reportada en la Tabla 3-1 y las medidas del ancho

de las escamas obtenidas con ayuda del microscopio óptico. Para el individuo estudiado

se tomaron como consideraciones: la distribución de peso y el tamaño de escamas

homogéneos. Es importante aclarar que en la naturaleza no toda la superficie de la sección

ventral de la serpiente entra en contacto deslizante con el sustrato debido a los tipos de

locomoción desarrollados por el animal para su desplazamiento, por lo tanto, su peso no

se distribuye uniformemente. Sin embargo, para las pruebas implementadas, dado que el

número de escamas en contacto son en promedio tres, la aproximación de distribución

uniforme de carga se considera razonable.

Figura 3-11. Direcciones de deslizamiento estudiadas con respecto a la orientación de la textura superficial de las escamas ventrales.


3.3 Texturizado

Se utilizó el software CAM SprutCAM 11® en donde se selecciona el tipo de centro de

mecanizado, para este caso: CNC de cinco ejes HAAS UMC-750 ubicado en el laboratorio

de Control numérico computarizado en la Institución Universitaria Pascual Bravo (ver

Figura 3-13). Algunos detalles del equipo son: control 30HP (18.6 kW), 40000 rpm máximo,

incluye el Sistema de Palpado Intuitivo y espacio de trabajo en X-Y-Z. Además, para la

generación de estrategias de mecanizado del conjunto de pines se inicia con una operación

de planeado, luego se procede a generar la trayectoria de mecanizado de las curvas con

ondulaciones periódicas, los cuales se programaron con una estrategia que consiste en el

seguimiento de una de las aristas de la onda con el borde de la herramienta, se estableció

las medidas de la herramienta, tales como: fresa cilíndrica de 10 y 0.3 mm de diámetro

(ver Figura 3-12). Estas herramientas fueron caracterizadas por microscopía electrónica

de barrido antes y después del proceso de fabricación de texturas, se tomaron medidas

del espesor y observación del desgaste del recubrimiento.

a) b)

Capítulo 3 53

c) d)

Figura 3-12. Vistas superior y lateral de las herramientas utilizadas: A-C. Fresa de 10 mm y B-D. Fresa de 0,3mm.

Figura 3-13. CENTRO DE MECANIZADO DE PRECISIÓN UMC-750 [96].

Para el mecanizado de superficies por remoción de material o “arranque de viruta” se

utilizan estrategias de trabajo con teoría de mecanizado de alta velocidad (MAV). Luego

de realizar varios ensayos variando condiciones de operación para la fabricación (Puesta

a punto), se caracterizaron y analizaron para definir cuales presentaron mejores acabados

y menores defectos superficiales. De esta forma, se definió la metodología de fabricación:


1. Se dibuja la pieza a mecanizar en un software CAD (SolidWorks, formato. step).

2. Se importa el archivo .step en el software CAM. Aquí se le denomina material

primitivo, cero de pieza, se implementa estrategias de corte con las variables

establecidas por la teoría de la mecánica del corte para posteriormente simular el

proceso y realizar el post procesado. El software CAM que se utiliza es el

SPRUTCAM versión 11.5 (ver Figura 3-14).

Figura 3-14. Software y maquina usada en la simulación-producción del código.

3. Luego se edita el código post-procesado manualmente, eliminando los códigos de

encender husillo en sentido horario, y determinando 2 ceros de pieza (G54 y G55),

ya que se maquinan dos probetas a la vez.

4. Se montan las piezas en la máquina y se toman ceros de pieza con un palpador

intuitivo.

5. Se hace un planeado previo con una herramienta de 10mm de diámetro para

garantizar planitud de la superficie. La estrategia utilizada es un desbaste por capas

en dirección y concordancia con respecto al filo de la herramienta.

6. Se toma ceros en el eje Z de cada una de las probetas.

7. Se realiza el mecanizado de las texturas.

8. Para finalizar se realiza un análisis visual en estereoscopio y microscopio, se

cambian variables de corte hasta llegar a unas condiciones óptimas de trabajo y de

acabado superficial.

Capítulo 3 55

Sivaiah reporto los parámetros de mecanizado para corte sobre AISI 52100 con dureza de

15-20 HRC [44], sin embargo estas no aplicaron para este trabajo por dos razones: la

primera por que inicialmente se trabajó el acero a durezas de 62 HRC, segundo diferencias

en las condiciones de operación proporcionaron un acabado superficial no deseado, por lo

tanto las variables de corte se cambiaron progresivamente hasta conseguir los mejores

resultados en la fabricación de las probetas, las condiciones definidas se muestran en la

Tabla 3-7.

Tabla 3-7. Condiciones fabricación en muestras cilíndricas. Descripción Valor

Velocidad husillo 40,000 RPM Avance 750 mm/min

Corte axial 75% del diámetro de la herramienta Refrigerante Sintético Repsol10W-40

Para el aumento de la velocidad de corte se utiliza un husillo con turbina de aire, el cual

trabaja con una presión de aire de 90 PSI. La fresa utilizada para el planeado presenta 4

labios, también llamadas flautas, tipo molino de extremos planos y un ángulo de hélice de

35°. En la Tabla 3-8 se encuentran algunas propiedades e información de las herramientas

utilizadas:

Tabla 3-8. Descripción Herramientas.

Ítem Descripción

Material Carburo de tungsteno matriz de cobalto

Recubrimiento TiAlN

Diámetro Fresa 1 10 mm

Diámetro Fresa 2 0,3 mm

Longitud de corte 0,6 mm

Dureza 68 HRC

Las herramientas fueron seleccionadas por su buen desempeño en procesos de

mecanizado, especialmente en procesos de corte interrumpido. Estas presentan alta

resistencia a la oxidación, excelente ductilidad, estabilidad térmica hasta temperaturas de

1000°C, mayores durezas y resistencia al desgaste.


3.4 Diseño de las texturas

Con base en los resultados adquiridos en la fase de caracterización y evaluación tribológica

de la piel presentados en la Tabla 4-2 y la Figura 4-10, se trabajó con características

generales enfocándose principalmente a los parámetros con los cuales se alcanzaron

valores de COF más bajos para la evaluación de modificaciones tribológicas

proporcionadas por las texturas fabricadas. Estas condiciones, se observaron para los

cuartiles extremos que presentaron valores mayores del ancho de fibrillas y menores de

largo de fibrillas con respecto al tercer cuartil, el cual presentó el COF más grande de los

cuatro cuartiles para ambas direcciones de deslizamiento. Por lo tanto, se decidió diseñar

ranuras con geometría tipo ondas acordes a la forma del fibril y la alineación del conjunto

de fibriles en la escama ventral, para lo cual los valores seleccionados fueron ancho inicial

y final de 0,9 mm y 21, mm respectivamente, y largo de 1,5 mm. Las profundidades de

ranuras fueron seleccionadas como valor mínimo la profundidad de los hoyuelos

encontrados en la piel y como valor máximo el promedio de alturas en las puntas de

fibrillas, se habla de valores redondeados de 40 um y 60 um de profundidad. En la Tabla

3-9 se presentan los valores geométricos específicos para micro mecanizado de texturas.

Sin embargo, estos valores estaban sujetos a las limitaciones del programa, herramienta

y el equipo de fabricación de texturas (CNC). En la sección 4.2.2 se encuentra las

modificaciones realizadas para lograr una sincronía en todos los elementos involucrados.

Tabla 3-9. Valores específicos para micro mecanizado de texturas.

Parámetro Valor

Lambda (mm) 0,9 - 4 Longitud de onda (mm) 1,5 Ancho onda inicial (mm) 0,9 Ancho onda final (mm) 2,1 Profundidad ranuras (µm) 40 – 60

Las texturas diseñadas fueron inspiradas en la caracterización de la piel de serpiente. Sin

embargo, es fundamental aclarar que este trabajo no pretende replicar, pero sí se toman

como referentes algunas características para el diseño. Las medidas para cada uno de los

factores de diseño se presentan en la Tabla 3-9, estos factores se definieron teniendo

presente las condiciones críticas del proceso de manufactura, tanto de la herramienta

como del equipo para micro mecanizado. En la Figura 3-15 se presentan el CAD de los

dos diseños construidos, allí se describen las dimensiones definitivas que fueron

Capítulo 3 57

implementadas en la fabricación de texturas con patrones determinísticos en los diseños

definidos tipo D y tipo E.

A) Diseño tipo D B) Diseño tipo E

Figura 3-15. Diseñados propuestos para dos distancias entre fila de ondas A) diseño D es 4 mm y B) el diseño E es 0.9 mm.

La Figura 3-16 es una imagen obtenida del programa SPRUTCAM donde se muestra lo

que ejecutara el código elaborado, y tiene como finalidad contextualizar al lector sobre el

proceso que sigue el equipo para fabricar los diseños. En la figura mencionada se

encuentra un sólido cilíndrico a mecanizar de color gris y la herramienta implementada de

color verde, la cual seguirá el camino de entradas y salidas de forma axial en la pieza de

trabajo visualizado con la línea punteada de color rojo, continuando, con la elaboración del

texturizado y, por tanto, la remoción de material que describe la línea de color verde. La

idea de producir ranuras está enfocado a la evaluación de estas cavidades como

almacenamiento de desechos o escombros generados por el desgaste del par deslizante,

proporcionando una superficie entre los dos materiales libres de escombros, principales

culpables de incentivar la participación de diferentes mecanismos de desgastes y

modificaciones de fricción.


Figura 3-16. Proceso de fabricación de texturas sobre SAE 52100.

3.5 Pruebas tribológicas de las superficies texturizadas

Se realizó una sintonización de variables con ensayos previos para analizar la posible

influencia de un factor sobre la variable respuesta, a partir de esta puesta a punto se

permitió definir varios parámetros como variables de estudio y otros como variables

controladas: carga normal definida en 50 N y velocidad de deslizamiento de 0,5 m/s

limitada por el equipo de trabajo, además de un tiempo de ensayo 30 minutos para

garantizar la estabilización de sistema deslizante.

Se desarrolló un diseño de experimento tipo 2K enfocado en las texturas obtenidas a partir

de remoción de material evaluando la influencia de la variación para las distancias entre

fila de elementos de textura (ondas), la profundidad de las ranuras, la condición de

lubricación y la dirección de deslizamiento, para esta última la orientación de deslizamiento

paralelo va en dirección de la amplitud de las ondas y perpendicular, en dirección a la

longitud de la onda. En los ensayos lubricados se usó un aceite 10W40 sintético marca

Repsol. La figura 3.14 describe las variables y factores involucrados en el experimento.

Capítulo 3 59

En la Tabla 3-10 se presentan los valores de las variables de entrada. Se incluyeron 3

réplicas por cada combinación para reducir incertidumbre. Se construyó una tabla donde

las combinaciones están aleatorizadas para eliminar algún tipo de sesgo estadístico.

Figura 3-17. Variables involucradas en ensayos tribológicos.

Tabla 3-10. Variables de entrada y sus niveles.

Factor Nombre Bajo Alto

A Lambda [mm] 0.9 4

B Profundidad ranuras [µm] 40 60

C Condición deslizamiento Seco Lubricado

D Dirección Paralelo Perpendicular

3.6 Análisis de superficies desgatadas

Finalizando los ensayos tribológicos se procedió a analizar las superficies desgastadas por

medio de microscopía óptica (LOM) y microscopía electrónica de barrido (SEM) para

obtener evidencia de los patrones que permitieron distinguir el mecanismo de desgaste

que predomino. Adicionalmente se realizaron pruebas en la estación de rugosidad Mitutoyo

Surftest SV 3000 para medir las características superficiales, verificando variaciones en

las profundidades de las ranuras propias de las texturas determinísticas.

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1 Caracterización de la piel de serpiente

4.1.1 Morfología y naturaleza determinística

En la Tabla 4-1 se presentan los valores promedios de área y relación de aspecto (VSAR)

para las escamas ventrales. De acuerdo con los valores allí reportados se identifica que

los cuartiles de los extremos presentan los valores de área más bajos, producto de la

reducción en las dimensiones de longitud y ancho correspondientes a las escamas de

menor tamaño en las zonas del inicio y final del cuerpo de serpiente, mientras que se

mantiene la misma relación de aspecto (VSAR) con los cuartiles centrales. En esta primera

observación las muestras no tuvieron ningún tratamiento ni recubrimiento como se puede

ver en la Figura 4-1, en esta se puede hallar el área de la escama como la línea punteada

y la VSAR con las líneas continuas 𝑙 y 𝑤. Las escamas de los costados no tuvieron

relevancia en esta investigación.

Capítulo 4 61

Figura 4-1. Sección de piel sin tratamiento, Fotografía digital.

En la Figura 4-1 se evidenció claramente como, aunque las escamas ventrales y dorsales

presenten una forma de polígono de seis lados similar, difieren en tamaños y exhiben en

los extremos una estructura tipo membrana limite adicional de efecto opaco, muy delgadas

y flexibles, las cuales le permiten estirar y expandir su circunferencia para realizar

funciones vitales como el proceso de alimentación y digestión [97].

Tabla 4-1. Área y relación de aspecto para las escamas ventrales por cuartil.

Cuartil VSAR Desviación Área escama

(mm2) Desviación

Primero 2,2 0,2 167,3 25,8

Segundo 2,1 0,1 208,9 4,3

Tercero 2,1 0,2 208,3 7,2

Cuarto 2,1 0,2 202,1 9,8


La Tabla 4-1 presenta el área de la escama en las secciones de cada cuartil con su

respectiva desviación estándar. Los extremos, cuartil primero (Q1) y cuartil cuarto (Q4)

presentan desviaciones significativas, justificado porque las diferencias dimensionales de

las escamas ventrales aumentan a medida que se acercan a la cabeza o cola. Sin

embargo, el último cuartil no expone cambios con rangos tan grandes en sus medidas

comparado con el primero, el cual exhibe variaciones de áreas entre 149,1 - 185 mm2,

longitudes de 1,6 - 1,98 cm y ancho de 0,72 - 0,91 cm, por esta razón en la Tabla 4-1 se

presenta una desviación de ± 25,8 mm2 para dicho cuartil (Q1). Estas diferencias de áreas

según la posición del cuerpo presentaron influencia en los resultados de fricción, como se

presenta más adelante en este documento y como lo ha mencionado H. A. Abdel-Aal, El

Mansori, and Mezghani en su trabajo [75].

De los análisis de SEM y AFM se pudo caracterizar una distribución de fibrillas o

denticulaciones con sus puntas orientadas con dirección hacia la cola de la serpiente y la

variación de sus dimensiones acorde a la localización en el cuerpo del animal [20], [23],

[98]. Sin embargo, se puede observar una formación ordenada de fibrillas ilustrado en la

Figura 4-2 con líneas de color amarillo.

Figura 4-2. Distribución ordenada de fibrillas. Hacia la izquierda se encuentra la cola y a la derecha la cabeza. SEM.

Capítulo 4 63

En la Tabla 4-2 se presentan las medidas promedio obtenidas en la caracterización

detallada de la textura superficial de la piel, observadas en micrografías en SEM como se

mostró en la Figura 4-2. Las medidas presentan muy baja variabilidad para todos los

cuartiles. El tercer cuartil presenta los valores máximos para densidad de fibrillas, tanto por

área como lineal, la longitud de las fibrillas como la relación de aspecto. El FAR y la

densidad lineal presentaron valores más altos que el promedio en porcentajes por encima

de 33% y 12%, respectivamente. Por el contrario, este mismo cuartil tiene el valor más

bajo para el ancho de las fibrillas, por lo que se podría atribuir las mayores densidades

fibrillas. Hablamos en promedio de tamaños de las fibrillas con longitudes de 1,07 ± 0,16

µm, anchos de 0,52 ± 0,06 µm y separación entre fila de fibrillas de 4,12 ± 0,29 µm.

Tabla 4-2. Parámetros medidos en las imágenes obtenidas en el SEM.

Sección/ Cuartil

Lambda - λ (µm)

Densidad de

fibrillas (fibrilla /μm2)

Densidad lineal de fibrillas (fibrilla/

μm)

Ancho de fibrillas ω (µm)

Longitud fibrilla ζ(µm)

Relación de

aspecto de

fibrillas FAR (ζ/ω)

Distancia entre

fibrillas (µm)

Primero 3,74 0,42 1,34 0,51 0,83 1,62 0,79

Segundo 4,27 0,45 1,45 0,54 1,18 2,19 0,94

Tercero 4,28 0,47 1,61 0,44 1,21 2,79 0,72

Cuarto 4,19 0,42 1,37 0,59 1,04 1,77 0,81

Promedio (μm) 4,12 0,44 1,44 0,52 1,07 2,09 0,81

Desviación (μm)

0,29 0,06 0,14 0,06 0,16 0,49 0,08

La Figura 4-3 se presenta el comportamiento de los parámetros geométricos de cada zona

evaluada, separación entre fila de fibrillas – Lambda (Figura 4-3a), relación de aspecto de

fibrilla (FAR) (Figura 4-3b) y la densidad de fibrilla por área (Figura 4-3c). Comparando

características, se encuentra una relación para algunos aspectos geométricos: lambda

enseña valores del casi el doble de la relación de aspecto, a su vez, esta última también

exhibe como la longitud es el doble del ancho de las fibrillas. Por lo tanto, los valores de

densidad tienden a ser inferiores a 0,5 fibrillas/ µm2. Con las características observadas

hasta este punto se plantea la hipótesis de diseñar texturas con ondas geométricas que

cumplieran con algunas relaciones calculadas.


a)

b)

Capítulo 4 65

c)

Figura 4-3. Características morfológicas a) Lambda b) FAR c) Densidad por área, las barras de error indican desviaciones estándar.

En la Figura 4-4 se presentan los perfiles de alturas (h) de fibrillas suavizados en dirección

Cola-cabeza (de izquierda a derecha) y, obtenidos por el software XEI de la corporación

Park Systems mediante AFM. Para la especie analizada el rango de valores para la

elevación de las puntas fluctuó entre 43 - 92 nm, con una altura promedio de 66 nm y una

desviación de 16 nm.


Figura 4-4. Perfil de alturas mostrando la variación de pendiente de las fibrillas en

el eje anteroposterior. La altura media de las fibrillas es de 66 ± 16 nm. AFM.

Las imágenes obtenidas mediante la técnica de AFM y presentadas en la Figura 4-5,

revelan características morfológicas también observadas en las imágenes SEM, pero

gracias al AFM, fue posible realizar mediciones a escala nano de dichas características

que se mencionan a continuación:

• La elevación de las puntas de fibrillas (superficie con mayor relieve en la piel)

presentan un grado de inclinación diferente de acuerdo con la dirección evaluada,

es así, como para la dirección caudal-craneal alcanza los 2,9 ± 0,9° y para la

dirección opuesta (craneal-caudal) presenta un valor 4 veces mayor con 11,1 ±

1,9°. Esta característica morfológica permite generar condiciones de fricción

dependientes de la dirección de deslizamiento como ya ha sido reportado en la

literatura [99].

a.

Capítulo 4 67

b.

Figura 4-5. Imágenes AFM - fibrillas y conjunto de hoyuelos en las escamas ventrales de la piel de serpiente en áreas de a. 10x10 μm, b.2x2 μm.

• Cavidades en forma de óvalos no homogéneos (hoyuelos) dispersos en toda la

zona, algunos de estos residen al inicio de las fibrillas. Se midieron los valores

promedio de dimensiones para la máxima profundidad entre 36 ± 9 nm y diámetro

de 303 nm. A la izquierda de la Figura 4-6 a y c, se identifican cavidades con formas

circulares y ovaladas, se seleccionó cavidades identificadas en las imágenes con

triángulos y una línea roja que lo atraviesa para obtener el perfil de profundidad,

mostrado en la Figura 4-6 b y d. Algunos estudios que se vienen adelantando en el

grupo de investigación, pero que aún no han sido publicados sugieren que estas

microcavidades sirven para almacenar agua para lubricar el proceso de

deslizamiento, sustentado por investigadores que afirmando como la piel podría

segregar o almacenar en estas cavidades algún tipo de fluido que se comporta

como lubricante [75], [90], [99], [100]. Las Figura 4-6 b y d, presentan el perfil de

profundidad para las cavidades seleccionada entre los triángulos y la línea roja de

las Figura 4-6 a y c, respectivamente.


a) b)

c) d)

Figura 4-6. Caracterización de cavidades: a) y c) Imagen en AFM de la piel en un área de 2 um x 2 um, b) y d) perfil de alturas.

• En las escamas de la sección central de la serpiente, especialmente en el cuartil

tres, desde las imágenes SEM fueron identificados algunos daños físicos en la

microestructura que alcanzó un 17% de fibrillas deterioradas sobre el número total,

dichos daños fueron definidos en esta investigación como desprendimiento de

fibrillas, lo cual proporciona elevaciones atípicas con magnitudes de 179 nm,

prácticamente triplica el valor del promedio de las fibrillas que no presentan daños.

Dos casos son observados. En primer lugar, con mayor número de casos son

fibrillas levantadas de la superficie, por otra parte, el segundo también presenta

levantamiento de fibrillas, pero con ruptura de puntas. Lo anterior, fue confirmado

en el anilisis de las observaciones en el AFM (ver Figura 4-7 b) y c)).

Capítulo 4 69

a) b)

c)

Figura 4-7. Daños de fibrillas en secciones de la piel, observados en a) SEM, b) AFM y c) perfil elevación de fibrillas.

Con los resultados obtenidos en toda la investigación se elaboró la Tabla 4-3, en donde se

encuentra el nombre, la ecuación para calcular estas relaciones geométricas y el valor

correspondiente. Estos datos corresponden a deslizamiento rectilíneo en dirección caudal-

craneal o viceversa, no para deslizamiento lateral. A su vez, algunos parámetros fueron

utilizados para diseñar texturas con características similares a las microestructuras de las

escamas ventrales, mas no fueron replicadas dichas dimensiones.


Tabla 4-3. Parámetros característicos de la piel de serpiente para diseños de texturas

Relación Definición Valor

Relación aspecto característica

(FAR)

Longitud de fibrilla

Ancho de fibrilla 2,09

Relación de esbeltez

característica (FSR)

Altura de fibrilla

L. fibrilla en dirección deslizante

0,05

Relación de aspecto superficial

(SAR)

Distancia entre fila de fibrillas

Altura de fibrilla

101,31

Investigadores como M.J Baum atribuyen la anisotropía de la piel de serpiente a la

combinación de dos factores: la geometría microestructural de la superficie y el ángulo de

orientación de los fibrillas de la epidermis [98].

4.1.2 Respuesta tribológica

Se obtuvieron las curvas promedio de coeficiente de fricción para los cuatro cuartiles, como

se observa en la Figura 4-8, en la dirección de deslizamiento caudal craneal (T-H) se

observaron valores de coeficientes de fricción bajos y un comportamiento creciente del

tercer cuartil, además, el último cuartil presenta los valores más bajos en ambas

direcciones. Los valores más altos se obtuvieron para la dirección craneal-caudal (H-T)

como se presentan en las gráficas de coeficiente de fricción en ambas direcciones (ver

Figura 4-8 y Figura 4-9) y se detalla en el diagrama de barras de la Figura 4-10. En ambas

direcciones las gráficas del COF presentan una tendencia estable a partir de los 5 minutos

aproximadamente. Ahora bien, en el tercer cuartil se presenta una pendiente mayor a las

curvas de las otras secciones

Capítulo 4 71

Figura 4-8. Coeficientes de fricción (COF) en la dirección Caudal-Craneal.

Figura 4-9. Coeficientes de fricción (COF) en la dirección Craneal-

Caudal.


Los anteriores resultados demuestran que efectivamente los valores de COF varían según

el cambio de dirección de deslizamiento y la zona de piel estudiada, confirmando el

comportamiento anisotrópico sobre el eje longitudinal, lo cual está directamente

relacionado con el orden particular y las diferencias dimensionales de las fibrillas para cada

cuartil. Los datos que presenta el tercer cuartil ayudan a explicar la relación de la

microestructura con los resultados en los ensayos tribológicos: al tener una mayor cantidad

de fibrillas (longitudes de mayor valor y separación entre fibrillas menores valores, lo cual

aumenta el valor de densidad de fibrillas) proporcionan una mayor área de contacto, lo cual

se ve reflejado en los aumentos en el COF.

En la Figura 4-10 se presenta el diagrama de barras donde se observa cómo el coeficiente

de fricción, las barras del color azul, muestran los COF promedio en dirección caudal-

craneal (T-H) y en gris la dirección craneal-caudal (H-T) con su respectiva desviación

estándar. El coeficiente de fricción más bajo lo presenta el cuarto cuartil: en dirección para

caudal-craneal con un valor de 0.104, y hacia craneal-caudal de 0,109. Se observa

igualmente, que el COF promedio para el tercer cuartil fue significativamente mayor en

ambas direcciones, registrando valores de 0,177 y 0,206 caudal-craneal y en dirección

contraria, respectivamente. Todos los datos registrados son cercanos a los reportados en

la literatura, aunque los valores de este trabajo están por debajo de los reportados por

otros autores [21], [98], [101]

Figura 4-10. COF promedios de cada cuartil en ambas direcciones, las barras de error indican desviaciones estándar

1 Cuartil 2 Cuartil 3 Cuartil 4 Cuartil

COF T-H 0,107 0,127 0,177 0,104

COF H-T 0,152 0,145 0,206 0,109

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

COF Pitón Real Albina

COF T-H COF H-T

Capítulo 4 73

Se evidencia el efecto de la morfología y la dirección de las fibrillas, las cuales generan

coeficientes de fricción más bajos para el desplazamiento caudal-craneal (movimiento

hacia adelante) por la reducción de los esfuerzos cortantes en las superficies de fibrillas,

que a su vez involucra las fuerzas adhesivas [99], [102] (ver Figura 4-10). Investigadores

como Martina J. Baum atribuyen las propiedades anisotrópicas de la piel a la combinación

de dos factores: “la geometría de la superficie con microestructuras y el ángulo de

orientación de los fibrillas de la epidermis” [98]. A partir de los resultados ya presentados

de las mediciones de fricción y el análisis SEM [103] se genera una correlación entre el

patrón microestructural de las escalas ventrales y la anisotropía de fricción.

Para la especie de serpiente Pitón Real Albina se han reportado estudios sobre

propiedades de fricción generada por las escamas ventrales deslizando sobre vidrio [104],

en donde se utilizó un tribómetro con una sonda tribo-acústica, obteniendo COF de 0,2 y

0,28 en deslizamiento Cola-cabeza (adelante) y cabeza-cola (Hacia atrás)

respectivamente. Sin embargo, los valores obtenidos en esta investigación para la especie

Pitón Real Albina en un tribómetro pin disco presenta valores en dirección caudal-craneal

en el rango de 0,1-0,18 y de 0,11-0,21 en dirección contraria.

Algunos investigadores [22], [105], [106] han realizado estudios sobre coeficiente de

fricción de la piel sobre madera (corteza de árbol) y/o superficies con cierta rugosidad,

evaluando de esta forma el control de fricción desarrollado por las serpientes al presentar

valores significativamente diferentes frente a cada contra cuerpo implementado.

4.2 Desarrollo de las superficies texturizadas

4.2.1 Caracterización del sustrato

En la Figura 4-11 y Figura 4-12 se muestran las micrografías para la sección transversal

de la barra de acero 52100 en la condición en la que se extrajo del rodamiento. Se Observa

un grupo de pequeñas manchas oscuras localizadas identificadas con círculos de color

rojo en la Figura 4-11, esta presencia de pequeños agujeros (hoyuelos) en el metal

evidencia que la superficie del material sufrió picadura o “pitting” cómo se reconoce en

inglés. En la Figura 4-11 c se observa una microestructura martensítica con carburos

distribuidos uniformemente, responsable de la resistencia al desgasta que ostenta esta

clase de material.


a) b)

c)

Figura 4-11. Micrografías en microscopio óptico del AISI 52100 obtenido comercialmente, sin ningún tratamiento térmico, a aumentos de a) 10x, b)50x y c)100x

Se encuentra algunas diferencias entre la microestructura de la muestra sin tratamiento

térmico y las muestras luego del tratamiento térmico realizado, principalmente: En la Figura

4-12 se observa una microestructura de martensita con zonas de austenita retenida,

también, la presencia de carburos en bajas proporciones con respecto a la Figura 4-11 c.

esta última presenta a su vez una microestructura homogénea a diferencia de la

microestructura presente en la Figura 4-12c.

Capítulo 4 75

a) b)

c)

Figura 4-12. Micrografías en microscopio óptico del AISI 52100 obtenido comercialmente, recocido a 790°C, templado a 850°C y revenido a 150°C, a aumentos de a) 10x, b)50x y c)100x

4.2.2 Retos ingenieriles del proceso de fabricación:

El objetivo de esta sección es alcanzar las mejores condiciones de las superficies,

incluyendo acabados de texturas con mejor definición y repetibilidad en las dimensiones.

Luego de varios ensayos y análisis, se tomaron decisiones y se descartaron algunos

procesos propuestos que no fueron apropiados, solucionando dificultades que tuvieron

lugar y de esta forma se consiguió la fabricación de superficies en el material de interés. A

continuación, se describen algunas de las problemáticas:

Limitaciones geométricas:

Para los diseños planteados fue necesario adecuar la amplitud y curvatura de la onda

acorde a la herramienta que se implementó y las limitaciones tanto del programa donde se

realizó el código como del equipo donde se fabricaron. Los valores con los que se iniciaron


los diseños cumplieron con parámetros obtenidos de la piel de serpiente, manejando las

mismas relaciones de FAR, lambda, profundidad de hoyuelos y altura de fibrillas. Sin

embargo, fue necesario adecuar los valores de curvatura según el diámetro de la

herramienta para evitar el choque de la misma con el sólido de trabajo, al ajustar la

curvatura se generó un ancho con variaciones de valores en forma creciente, generando

un valor inicial de 0,9 mm como se había propuesto pero solo para el ancho de la curvatura,

porque el ancho final de los elementos de textura llegó hasta los 2,1 mm definido en los

planos expuestos en la Figura 3-15.

Condiciones del Acero AISI 52100:

Los primeros ensayos realizados se llevaron a cabo en condiciones iniciales del material

con propiedades características del material, en donde se encontraron durezas que

oscilaban entre 64-68HRC. Por lo tanto, fue necesario buscar una herramienta con las

características de dureza mayores o por lo menos similares, principalmente para favorecer

propiedades tribológicas donde la topografía de la superficie más dura deformara al más

blando, de tal forma, que la herramienta pudiera resistir la fabricación de los diseños en las

muestras originales, es allí donde se seleccionó una fresa de dos labios con recubrimiento

de TiAlN usada para trabajar con materiales de durezas hasta 68HRC. Luego de este paso,

se realizó la caracterización para cada uno de los diseños fabricados, en donde se

encontraron varios problemas como el desgaste de la fresa, debido a las durezas similares

tanto en la herramienta como en el acero.

La Figura 4-13 a) muestra la capa homogénea del recubrimiento para la fresa que no tuvo

ningún uso en comparación con la Figura 4-13 b) en donde se evidencia fallas en el

recubrimiento de la herramienta con la cual se fabricaron superficies, aunque, la mayoría

de fresas presentaron fractura sin finalizar la textura como se observa en la Figura 4-14.

Sin embargo, en la vista lateral no se alcanza a observar la mayor cantidad de desgaste,

por lo que se realizaron imágenes en vista superior y con un grado de inclinación, en la

Figura 4-13 c)-d) se muestra en la parte superior de la fresa un color gris metálico y en los

lados un color dorado producto del recubrimiento, por lo tanto, se evidencia el desgaste

por completo del recubrimiento en la parte superior y lateral (labios de la herramienta),

quedando expuesto el material base de la herramienta generando defectos en la

fabricación como: diferencias métricas en las profundidades de las ranuras fabricadas, e

irregularidades en las superficies.

Capítulo 4 77

a) b)

c) d)

Figura 4-13. Imágenes en LOM, fresa de 0,3mm de diámetro: a) Sin ningún uso y b - c - d luego de la fabricación de superficies en vista lateral, superior y con inclinación.


Figura 4-14. Montaje en CNC y fabricación de texturas.

Para la probeta de diseño tipo E en proceso de fabricación de la Figura 4-14 se tomaron

medidas de profundidades para cada una de las ranuras y un perfil por medio de una

estación de rugosidad, se tomó una longitud de medida de 7 mm de los 10 mm del diámetro

total del pin (ver Figura 4-15), esta curva ha mostrado los siguientes problemas:

• Acumulación de material removido en el borde de la ranura (Rebaba) con

alturas considerables, valores alrededor de 43 µm que entrarían en contacto

con el contra cuerpo al momento de la realización de los ensayos tribológicos.

• Disminución del valor definido de profundidad en el avance de cada una de las

ranuras mecanizadas, medidas variando desde 51 hasta 15 µm, es decir,

alcanzó un 68% de diversificación. Además, por lo menos la primera ranura

debió presentar una profundidad de 60 µm. Fueron planteados dos posibles

causas, el primero es desgaste de las fresas, el segundo que también tuvo

lugar, es el montaje de las probetas, las cuales están sujetas con base tipo

prensa ejerciendo presión en los bordes del cilindro, por lo que, el cambio de

las profundidades en parte estuvo relacionado con el movimiento vertical de la

probeta a texturizar, causada por la presión del brazo ejercida por el centro de

Capítulo 4 79

mecanizado sobre la superficie plana de la probeta. Para eliminar el error

presentado por este último, se realizó un montaje con una base en donde el

pin tenía soporte en la cara base (zona plana contraria a la superficie a

texturizar) y presión en los bordes con unos sujetadores que se acomodaban

acorde a la superficie circular (ver Figura 4-18).

• Mayores consumos generaría la fabricación de las superficies debido a dos

factores:

1. Consumos operativos: mayores tiempos de fabricación, tiempo para cambiar

la fresa fracturada, reinicio del programa, tiempo del operario. Los tiempos de

mecanizado para diseños tipo D fue de aproximadamente 20 y 60 minutos para

el tipo E, esto sin contar el tiempo de calentamiento del equipo, de montaje de

las probetas, cambio de fresas desgastadas o fracturadas y ajustes de cero de

pieza.

2. Consumo del número de fresas para la fabricación: 1 fresa por tipo D y 2

fresas por tipo E.

Ante la situación planteada y el conocimiento de la fresa obtenido en la sección 2.1.1

Degradación de la herramienta de corte, se entendió cómo la herramienta se está

comportando como el material más blando, permitiendo deformación y desgaste

provocado por el material más duro (acero AISI 52100). Para dar por terminado estos

problemas se decidió realizar tratamiento térmico a las muestras cilíndricas, inicialmente

un recocido para bajar dureza, mecanizarlos y luego hacerles un temple y revenido para

llegar a las condiciones de dureza comerciales 64 HRC.


Figura 4-15. Perfil transversal de la superficie fabricada para diseños tipo E.

VARIABLES DE CORTE

Las variables de corte utilizadas como propuesta inicial, fueron seleccionadas a partir de

la teoría de mecánica de corte, las condiciones de operación son enunciados en Tabla 4-4,

con las cuales se consiguieron tiempos de mecanizados para las probetas tipo E de 50

minutos y tipo D 15 minutos, a pesar del tratamiento térmico se observó que bajo estas

condiciones la formación de rebaba permaneció en gran cantidad y con gran volumen tal

cual como se observa en las micrografías de la Figura 4-16 a magnificaciones de 25x, 100x

y 500x realizadas para evaluar el acabado de la superficie. Para evitar esto se propuso

hacer un desbaste al final del texturizado con la fresa de 10 mm para retirar el exceso de

material removido en los bordes de las ranuras, no obstante, lo único que generó fue un

desplazamiento del material removido al interior de las ranuras como se presentó en la

Figura 4-17.

Tabla 4-4. Variables de operación en la fabricación de texturas.

Parámetro Valor

Velocidad en el husillo 40000 RPM

Avance 70 mm/min

Corte axial 0.005 mm

Corte radial 75 % del diámetro de la herramienta

Refrigerante Sintético

Capítulo 4 81

a)

b)

c)

Figura 4-16. Micrografías SEM con magnificaciones de a) 10x, b)100x y c) 500x


a)

b)

Figura 4-17. Imagen obtenida por LOM, rebaba almacenada en las ranuras.

Capítulo 4 83

Luego de los resultados observados en la Figura 4-17. Se decidió emplear modificaciones

en las variables de operación de la máquina y también se modificó el soporte donde se

montaban las muestras de acero, proporcionado mayor estabilidad y evitar las vibraciones

en la pieza de trabajo (ver Figura 4-18). Se siguieron los consejos compartidos por la

empresa de Sandvik Coromant en su página web para el ranurado de cavidades

superficiales de baja profundidad [107], algunas de la cuales se enumeran a continuación:

• “La profundidad de corte axial se debe reducir por regla general hasta cerca del

70% de la longitud del filo”, para este caso en especial estamos hablando de una

longitud de filo para la herramienta de 0,6mm, sin embargo, la profundidad máxima

de las ranuras es de 60 µm y su reducción recomendada seria de 0,43mm, lo cual

no aplica para nuestro caso. Entonces, seguimos disminuyendo el valor inicial de

0,005 mm para el corte axial hasta llegar a 0,0018 mm, Ahora bien, los resultados

obtenidos mejoraron el acabado de las ranuras, con esquinas cuadradas más

definidas.

• “Tenga en cuenta el avance por filo para producir un espesor de la viruta

satisfactorio. Utilice fresas de paso grande para evitar virutas delgadas, que pueden

provocar vibración, superficie deficiente y rebabas”.

• “Si la ranura es más superficial, aumente el avance”. Como segunda medida se

cambia progresivamente la variable de avance, es de esperarse la disminución del

tiempo de operación del CNC para la fabricación de las texturas alcanzando valores

de 2 minutos para tipo D y 10 minutos para el tipo E por pin. Los tiempos medidos

fueron únicamente del tiempo tardado en realizar el diseño, sin tener en cuenta

tiempo de montaje, preparación el equipo y ajustes de ceros de posición, en estas

condiciones las fresas no presentan daño alguno alcanzado a fabricar con una sola

fresa 12 muestras, luego se cambia de fresa para evitar fractura de la fresa y daños

en la probeta montada. Pero el resultado más importante fue la disminución casi

completa de la rebaba.


Figura 4-18. Montaje para fabricación de un par de texturas.

En la Tabla 4-5 se encuentran los valores definidos para realizar los micro mecanizados,

luego de realizarse varios ensayos preliminares que fueron indispensables y

fundamentales para la puesta a punto del procedimiento de texturizado. Es importante

aclarar que la formación de viruta o rebaba es normal en un proceso de mecanizado, pero

la intensión que, por cierto, se logró fue minimizar al máximo la formación sin medida de

esta.

Tabla 4-5. Condiciones de operación definitivas para la fabricación de texturas.

Parámetro Valor

Velocidad en el husillo 40000 RPM Avance 750 mm/min Corte axial 0.0018 mm Corte radial 75 % del diámetro de la herramienta Refrigerante Sintético

Capítulo 4 85

Aunque parezca evidente que, para disminuir consumo dentro del mecanizado, debemos

aumenta la velocidad de avance y así disminuir los tiempos de fabricación, también fue

necesario encontrar las condiciones más adecuadas para trabajar y obtener los mejores

resultados, dentro de los que se destacan el acabado superficial, la resistencia de las

herramientas, entre otras. En este caso particular no sabíamos que velocidad podría

resistir la herramienta, por lo tanto, la velocidad de avance se fue aumentando

regularmente. Además, cuando aumentamos la velocidad de avance con un corte axial de

0,005 mm, si se disminuyó el tiempo en que el equipo construía el diseño, pero la cantidad

de formación de rebaba no disminuyó y el acabado de las ranuras no simulaban paredes

con ángulos rectos bien definidos, al contrario, tendían a formar unas cavidades

semiesféricas. Es así como la variación del corte axial hace complemento para obtener un

acabado con mayor definición, bajando la cantidad y el tamaño del material acumulado en

los bordes de las cavidades, a su vez los tiempos fueron mínimos con respecto a las

condiciones trabajadas inicialmente, se alcanzó a cambiar de 10 a 2 minutos para los

diseños tipo D y para los E pasamos de 50 a 15 minutos, variaciones del 80% y 70%,

respectivamente.

• Tratamiento térmico:

El tratamiento de recocido fue fundamental para disminuir problemas como fractura de

fresas tanto para micro mecanizado como para el planeado, por la baja dureza las fresas

no presentaron daños significativos. Luego se realizó la verificación de profundidades para

cada una de las muestras elaboradas en el centro de mecanizado y se presenta el

promedio de estos valores en la Tabla 4-6. Continuamente, al finalizar el temple y revenido

de las superficies se seleccionaron muestras aleatorias para volver a medir las

profundidades, comparando dichos resultados con los reportados en la Tabla 4-6 solo se

encontraron variaciones mínimas de 3 µm y máximas de 5 µm, las cuales no son

significativas y están asociadas a la formación una capa externa después del tratamiento

térmico.


Tabla 4-6. Promedio alturas de ranuras

Muestra D 40 µm D 60 µm E 40 µm E 60 µm

1 30 55 32 47

2 30 56 45 60

3 31 60 40 61

4 39 56 44 53

5 33 52 45 52

6 45 59 30 65

7 30 55 47 50

8 43 59 40 54

9 33 54 32 49

10 31 59 44 50

11 35 58 26 50

12 45 59 28 60

Promedio 35,42 56,83 37,78 54,25

Desviación 5,98 2,52 7,62 5,79

La Figura 4-19 muestra imágenes SEM luego del recocido, fabricadas en condiciones

definitivas para el centro de mecanizado con avance de 750 mm/minuto y corte axial de

0,0018 mm. La rebaba producida por la remoción de material es mínima en forma y

magnitud comparada con las obtenidas bajo la variación de condiciones operativas en la

Figura 4-16.

a) b)

Capítulo 4 87

c) d)

Figura 4-19. Micrografías SEM en superficies recocidas y fabricadas bajo las condiciones definitivas de operación

• Postprocesado

Se trazaron tres estrategias que permitieron evaluar la más acertada para limpieza

y remoción de la capa de carburos formada en la superficie de la textura después

del tratamiento térmico realizado para mejorar dureza del material, se reportaron

imágenes comparativas del antes del tratamiento térmico de temple y revenido con

las obtenidas después del procedimiento seguido en esta sección. Las siguientes

son las propuestas:

✓ Decapado: Remoción de viruta, oxido y/o carburos en los pines por medio del

proceso de lavado químico, utilizando un decapante y pasivamente para acero

inoxidable industrial [108]. Inmersión de la pieza metálica en la solución durante

12 minutos en total, cada 4 minutos se extrajo el pin y se revisó que la solución

no estuviera generando daño en la superficie y se sumergió nuevamente.

Después, la superficie fue lavada con agua, jabón y la ayuda de un cepillo con

cerdas suaves.

Figura 4-20. Inmersión de acero inoxidable por inmersión en decapante. Elaboración propia.


A pesar de estar revisando periódicamente la superficie, cuando se retiró por

segunda vez la muestra del beaker se observaron algunos daños superficiales

mínimos, pero todavía se observaba un poco de rebaba y secciones de capa de

carburos, los últimos dos minutos se evidenció un burbujeo excesivo, al retirarse el

pin por tercera vez se presentaron daños severos en la superficie como se muestra

en la Figura 4-21, allí se encuentran imágenes de las texturas a) - b) antes del

tratamiento térmico, c) -d) ya tratados térmicamente y luego del decapado, daños

severos son expuestos en toda la superficie del acero, especialmente en la ranura

tanto en el interior como en las paredes, los bordes quedaron totalmente comidos

y deformado, esto a su vez, generó cambios dimensionales, doblando el espesor

inicial de la ranura de 0,3 mm a valores entre 0,65 mm hasta 0,8 mm

a) b)

c) d) Figura 4-21. Imágenes de las muestras texturizadas en LOM a)-b) Antes del templado y c) y d) después del decapado.

Capítulo 4 89

Otro proceso de limpieza fue realizado en un baño ultrasónico de sonda e inmerso en una

solución de agua destilada - 5%wt. de Al2O3 con tamaño de grano 10-20 µm durante 10

minutos condiciones seleccionadas basadas en otra investigación [109], este

procedimiento se realizó para algunos pines con presencia de oxido en algunas zonas. Sin

embargo, luego de este método se percibieron algunos daños superficiales, tales como,

desprendimiento de viruta con generación de bordes con ruñido y picaduras en la superficie

(ver Figura 4-22). Por lo tanto, estos procedimientos con decapantes químicos fueron

descartados y no se implementaron para la fabricación de los diseños planteados.

a) b)

c)

Figura 4-22. Daños en LOM a) daño de borde al desprenderse la rebaba-b) y c) daño

por picadura.


✓ Lijado y limpieza de superficies:

Se implemento una primera pasada con motortool y una herramienta llamada grata,

utilizadas especialmente para acabados y limpieza de superficies con presencia de

oxidación, residuos o impurezas y rebabas. Por lo tanto, se evaluó el

comportamiento de una grata de nylon y otra de bronce, acompañado de una pulida

en lija número 2000. Este proceso permitió obtener el mejor acabado posible, y al

mismo tiempo, no genero ningún perjuicio en las superficies evitando

consecuencias en las pruebas tribológicas.

a) b)

c) d)


y d) con grata de Nylon.

Capítulo 4 91

a) b)

c) d) Figura 4 27. Imágenes de las muestras texturizadas en LOM a)-b) Antes del templado y c) - d) con grata de Bronce.

Con lo anterior, fue seleccionado el procedimiento con grata de nylon (Figura 4-23), ya que

la grata de bronce iba desprendiendo material y generaba unos visos dorados en la

superficie de las ranuras. Como lo ideal es no generar modificación de las probetas,

entonces se descarta la grata de bronce, debido a que, consecuentemente con el nylon se

consiguen los mismos resultados. Aunque, se aclara que no se hizo evaluación de la

superficie con residuos desprendidos del bronce.


4.2.3 Degradación de la herramienta de corte

En esta sección se evaluó las características de las fresas implementadas en esta

investigación, tal como el sustrato y el recubrimiento. Con estos resultados se realizó un

análisis comparativo con lo que se encuentra por otros investigadores y/o proveedores.

Además, se presentó la resistencia de la fresa luego de haberse realizado algunos ensayos

de mecanizado sobre superficies del material

La Figura 4-24 presenta imágenes obtenidas del SEM, donde a) y b) presentan la superficie

de un a fresa nueva a 100x y 500x de magnificación respectivamente, donde se observa

la calidad y homogeneidad del recubrimiento, aunque se destacó algunas irregularidades

como poros y granos que resaltan de la superficie lisa. La c) y d) Micrografías fresa usada

a 100x y 2,300x de magnificación. Las imágenes fueron obtenidas de una fresa con la cual

se realizó el proceso de micro mecanizado, se puede apreciar un desprendimiento del

recubrimiento TiAlN en el costado de uno de los labios. En efecto, se aprovechó esta

oportunidad para realizar las medidas del espesor del recubrimiento, que tal como se

observa en la Figura 4-24 d, estos valores están alrededor de las 3 um, lo cual era de

esperarse según la indicación dada por la empresa BytCoat. Estos recubrimientos se

vienen trabajando desde hace muchos años, algunas investigaciones puntuales [110],

[111], evaluaron procedimientos de fabricación y comportamiento en operaciones de corte

en seco, por lo tanto, se puede realizar una comparación de micrografías, observando un

recubrimiento aparentemente liso con algunos relieves de granos, aunque las

herramientas de esta investigación presentan mejor acabado superficial.

a) b)

Capítulo 4 93

c) d)

Figura 4-24. Micrografías SEM a) y b) fresa nueva c) fresa usada.

La Tabla 4-7 muestra dos análisis químicos puntuales tomados para la región del

recubrimiento en zonas a lo largo de su espesor y dos valores reportados en otras

investigaciones. La concentración atómica en porcentaje que fue encontrada en este

trabajo para el aluminio titanio corresponde al rango de valores de equilibrio proporcionado

por V.Braic y I. J. Smith para estas estructuras multicapas[111], [112]. Sin embargo, para

el elemento de Nitrógeno se presentaron los valores más desviados alrededor del 20%.

Tabla 4-7. Análisis químico en la región espesor del recubrimiento.

Zona 1 Zona 2 V. Braic [16] I. J. Smith [15]

Elemento Símbolo

Concentración Atómica %

O 3,4

C 21.91 20.84 --

N 33.82 31.34 49,9 51,9 47,2

Al 10.09 11.39 12,3 25,6 25,8

Ti 34.19 36.43 34,4 20 21

Se verificó la composición química del material base en la zona donde se presentó la

fractura severa del recubrimiento. En la Tabla 4-8, se muestran las medidas puntuales en

la superficie, comparada con la información de proveedores de estos materiales como la

empresa CARBONSYSTEM, la cual reporta la composición química observada en la Tabla

4-8, se puede decir que la composición química en la zona 1 del desprendimiento tiene los

elementos primarios en diferentes proporciones a las del proveedor, los demás elementos


encontrados pueden derivarse de la interacción de la superficie sin recubrimiento, la

composición química del AISI 52100, el refrigerante, la temperatura y condiciones

atmosféricas en el instante del micro mecanizado. Sin embargo, en otro punto de la zona

se encuentra valores de tungsteno similares a los reportados por el proveedor

CARBONSYSTEM [113]. Adicionalmente en otras investigaciones hablan de diferentes

composiciones de cermets WC-Co después del proceso de sinterizado en fase líquida, con

contenidos de cobalto (fase metálica) que oscilan entre 3 y 25 porcentaje en peso,

reportadas comúnmente en aplicaciones comerciales de carburos de tungsteno [114]–

[116].

Tabla 4-8. Análisis químico en la región del material base de la fresa

Zona 1 Zona 2 CARBONSYSTEM [113]

Elemento Símbolo

% en peso % en peso WC-Co 6% WC-Co 8%

C 9.98 4.79

O 1.11

Co 36.56 6 8

W 52.35 95.21 94 92

4.3 Respuesta tribológica de las superficies texturizadas

El área texturizada de las muestras fabricadas es de 9 mm2 y 32,11 mm2 para la categoría

de texturas tipo D y E respectivamente, representando un porcentaje de área texturizada

mínima de 11,5% y un máximo de 40,9%. En la literatura se encuentran estudios donde se

afirma que las propiedades tribológicas mejoran a medida que aumenta el área texturizada

[117], [17], [118] a diferencia de otros que consiguen un comportamiento opuesto [119],

[120]. Los valores densidad de área texturizada óptima para materiales como aluminios

son inferiores al 20% y superiores a esta pueden generar un incremento en los valores de

fricción. No obstante, para materiales como aceros se han reportado densidades de área

alrededor de 58% presentando mejor comportamiento tribológico [118]. Lo anterior

concerniente a superficies con texturas de protrusiones, ranuras, hoyuelos, entre otros,

aunque no se encuentran reportados para ranuras con diseños tipo onda como es el caso

puntual de esta investigación. Por lo tanto, se esperaba variaciones notorias en los

coeficientes de fricción especialmente en condiciones de nula lubricación al presentar

Capítulo 4 95

valores de porcentaje de área texturizada con un rango de diferencia del 30%

aproximadamente. Dichas variaciones se presentan en esta sección.

Desde la Figura 4-25 hasta la Figura 4-28 se muestra un ejemplo de la variación de medida

experimental del coeficiente de fricción con el tiempo de deslizamiento de 30 minutos a un

carga normal de 50 N y velocidad de deslizamiento de 0,5 m/s, es decir, el comportamiento

tribológico de las superficies en contacto para las categorías ensayadas según sus

condiciones de deslizamiento (paralelo - perpendicular) y las características propias del

diseño como profundidad y densidad de área texturizada ensayada. Es importante aclarar

que las curvas presentadas se tomaron de todos los ensayos y replicas realizadas, donde

se seleccionó una para representar cada caso específico.

En la Figura 4-25 se aprecian las diferencias para la categoría tipo D, las curvas de las

probetas con profundidades de 40 µm revelan una oscilación de un rango más amplio de

aproximadamente ±0,035 unidades en el eje del COF, al contrario de las de 60 µm de

profundidad que son mucho más delgadas con variaciones de ±0,015. Las curvas son

crecientes para los cuatro casos y los tiempos desde donde empiezan a estabilizarse se

encuentra entre 10 y 15 minutos para las paralelas y para las perpendiculares alrededor

de los 15 minutos. Se puede resaltar como todas presentan el mismo comportamiento en

la etapa ascendente menos la textura tipo E de 60 µm de profundidad y en dirección

perpendicular, la cual presenta una pendiente mayor y un menor tiempo para llegar al valor

máximo.

El ruido presente en algunas curvas como, por ejemplo, los diseños tipo D paralelo y

perpendicular con profundidad de 40 µm se evidencia en algunos resultados, se cree que

estas variaciones pueden estar asociadas a la interacción de material desprendido en la

interfaz de los cuerpos deslizantes, situación que no se puede controlar en ensayos

tribológicos.


a) b)

c) d)

Figura 4-25. Curvas COF en seco para texturas tipo D con profundidad de a)-b) 40µm y c)-d) 60µm.

En la Figura 4-26 se muestra algunas curvas para la categoría tipo E, las cuales muestran

una oscilación similar en un rango de aproximadamente ±0,015 unidades en el eje Y. Sin

embargo, la categoría tipo E de 60 µm presentó al final un rango más amplio de oscilación

(ver Figura 4-26 d). Las profundidades de 60 empezaron a estabilizarse en menor tiempo,

antes de los 10 minutos, de igual forma presentaron pendientes con mayor inclinación. Por

el contrario, las profundidades de 40 µm de profundidad revelan variaciones de ±0,03. Las

curvas son crecientes para los cuatro casos y los tiempos de estabilización se encuentra

a los 10 minutos para las paralelas y para las perpendiculares alrededor de los 15 minutos,

para estas últimas se observa un final con una inclinación hacia abajo o en otras ocasiones

hacia arriba.

a) b)

Capítulo 4 97

c) d)

Figura 4-26. Curvas COF en seco para texturas tipo E con profundidad de a)-b) 40µm y c)-d) 60µm.

En la Figura 4-27 y Figura 4-28 se muestran algunas gráficas obtenidas para cada una de

las categorías en condiciones lubricadas, las cuales presentan un pico al iniciar el ensayo,

con tendencia a estabilizarse rápidamente, en cuestión de 3 minutos o menos la línea se

ve totalmente horizontal y con muy bajas oscilaciones en los valores tomados por la celda

de carga, además, no presenta irregularidades en el trascurso del tiempo. Se observa que

el lubricante cumple su función de reducir fricción y desgaste entre superficies solidas en

contacto deslizante, se exhiben cambios en los COF de fricción para las condiciones en

seco con un valor promedio de 0,44 y lubricado de 0,10, es decir con el lubricante se

alcanza una reducción promedio de hasta el 75% de los valores obtenidos en ausencia de

lubricante como ya ha sido mencionado [26], [28], el uso de lubricante y texturas con micro-

cavidades suministra la eliminación de partículas de desgaste de la interfaz y también

minimiza la aglomeración de partículas bien sea que estos desechos se alojen dentro de

las cavidades o alejados de las superficies en contacto por medio del lubricante.

a) b)


c) d)

Figura 4-27. Curvas COF con lubricante para texturas tipo D con profundidad de a)-b) 40µm y c)-d) 60µm.

a) b)

c) d)

Figura 4-28. Curvas COF con lubricante para texturas tipo E con profundidad de a)-b) 40µm y c)-d) 60µm

En la Tabla 4-9 se consigna la información resumida de cada uno de los ensayos

tribológicos, obteniendo el valor promedio de los coeficientes de fricción cuando la curva

se estabilizó y no presentó variaciones superiores al 15%, y la desviación estándar

correspondiente. Los datos tabulados fueron organizados según la dirección de

deslizamiento, el grupo de textura perteneciente y condiciones de la prueba. Además, se

Capítulo 4 99

encuentran identificados como blancos los valores de los ensayos con muestras de

referencia (neutras), es decir, superficie plana con acabado comercial sin textura

superficial, ni tratamiento térmico en presencia y ausencia de lubricante, los cuales

presentan parámetros de rugosidad como Ra de 0,016 µm (ver Figura 4-29).

Tabla 4-9. Coeficientes de fricción promedio y desviación estándar en las dos direcciones de deslizamiento.

Categoría COF

Promedio Paralelo

Desv. estándar

COF Promedio

Perpendicular

Desv. estándar

D40 Seco 0,37 0,0055 0,35 0,0083

D40 Lubricado 0,10 0,0006 0,10 0,0043

D60 Seco 0,47 0,0200 0,43 0,0415

D60 Lubricado 0,11 0,0009 0,10 0,0016

E40 Seco 0,44 0,0200 0,39 0,0469

E40 Lubricado 0,11 0,0005 0,11 0,0007

E60 Seco 0,56 0,0134 0,48 0,0180

E60 Lubricado 0,11 0,0015 0,10 0,0011

Blanco Seco 0,62 0,0183

Blanco Lubricado 0,12 0,0012

a) b) Figura 4-29. Superficie sin textura ni tratamiento térmico (Blanco) con aumentos de a) 1x y b)50x

En la Figura 4-30 y Figura 4-31 se presentan un diagrama de barra los valores de los COF

promedios para la condición de deslizamiento en seco y con lubricante, respectivamente.


Donde en la parte derecha se encuentran los valores de color gris para la dirección de

deslizamiento perpendicular y a la derecha de color naranja los de dirección paralela. Con

el propósito de comparar se muestra en las dos figuras una barra con textura punteada

que representa el valor del blanco asociado a las pertinentes condiciones de operación.

Dichas figuras permiten analizar y entender la influencia de las profundidades de las

ranuras sobre el coeficiente de fricción de un sistema con variaciones en la dirección y

condición (Seco-lubricado) de deslizamiento

Como era de esperarse en condiciones de nula lubricación se exhibe variaciones según la

textura, la profundidad de las ranuras y la dirección de deslizamiento. Ahora bien, si nos

centramos por ítem, podemos definir una relación directa entre el diseño superficial y la

profundidad, donde, para el mismo diseño al cambiar la profundidad de 40µm a 60 µm

aumenta el COF, lo mismo sucede dejando la profundidad definida y cambiando el diseño

tipo D al E. Finalmente, los valores más bajos fueron obtenidos en la dirección

perpendicular a la amplitud de las ondas diseñadas en la superficie plana del cilindro. Lo

anterior se muestra en la Figura 4-30. Se encontró que todas las probetas muestran valores

bajos con respecto al blanco, alcanzando valores del COF con reducciones mínimas de

9% para el caso del E60 paralelo seco y máximos de 42% específicamente en el D40

perpendicular seco.

Figura 4-30. Comparativo COF paralelo vs. perpendicular en seco.

Capítulo 4 101

Los ensayos en condiciones de lubricación presentaron variaciones de los COF entre cada

categoría de textura con menor valor comparado con las categorías realizadas en seco, se

observan reducciones de fricción comparado con la superficie estocástica, donde el valor

mínimo es de 10%, correspondiente al E60 lubricado paralelo y el E40 lubricado

perpendicular, el D40 lubricado perpendicular alcanzó el porcentaje máximo con un 21%

como se observa en la Figura 4-31.

Figura 4-31. Comparativo COF paralelo vs. perpendicular con lubricante.

Con condición de lubricación se encuentra un comportamiento similar a los resultados

obtenidos en seco, tal característica se describe como un aumento en los valores del COF

al aumentar las profundidades de las ranuras y el área texturizada, de igual forma en la

mayoría de los casos los valores más bajos se obtuvieron en la categoría dirección de

deslizamiento perpendicular comparado con los paralelos. Se presenta una excepción en

los valores de la dirección perpendicular en la categoría E donde el de 40µm alcanzo un

valor mayor que el valor paralelo y las E de 60 µm. Ver Figura 4-32.


Con esto se comprueba que las superficies diseñadas también presentan comportamiento

anisotrópico debido a su capacidad de presentar diferentes propiedades tribológicas según

la dirección de deslizamiento, tal cual como se observó en la piel de serpiente. En

consecuencia, se puede concluir que se logró replicar propiedades de la piel de serpiente

en superficies metálicas, lo cual es un gran paso para continuar evaluando este tipo de

diseños en múltiples aplicaciones (motores a combustión, procesos ferroviarios, etc) y

empezar a escalar aplicando estos beneficios a nivel industrial.

a) b)

Figura 4-32. Comportamiento tribológico por categoría y condición: a) seco y b) lubricado.

En los datos presentados en este trabajo se observa que los mejores resultados obtenidos

fueron con la superficie de densidad de área texturizada de 11,5% tanto para los ensayos

en condiciones en seco como lubricado, resultados que concuerdan con lo reportado por

Segu et al [17], donde los mejores resultados logrados fueron con una densidad de área

texturizada de 12% para superficies con cavidades en forma de círculos y elipse fabricadas

por la técnica de texturizado láser sobre AISI 52100.

Caracterización de superficies desgastadas

En la Figura 4-33 y Figura 4-34 se puede observar, las superficies antes y después de las

pruebas tribológicas en ausencia de lubricante, para los dos casos las imágenes a y b son

obtenidas en un estereoscopio con una magnificación de 1x, el resto de las ítems (c, d, e

y f) son imágenes realizadas en SEM con magnificaciones de 30x y 100x. En ambas figuras

para los numerales a-c-e, se muestra el estado inicial de la superficie de la probeta, la

imagen corresponde al acabado de la superficie con grata de cobre y pulida con lija, donde

Capítulo 4 103

se pueden identificar algunas líneas paralelas correspondientes a la deformación plástica

producto de la abrasión; en las imágenes se encuentran las ranuras hechas por medio del

proceso de mecanizado, se evidencia diferencias entre el acabado superficial y el interior

de la ranura, ya que en la zona del interior de la ranura no se observan marcas de

deformación plástica y esta superficie es más rugosa debido a la capa formada luego de

los tratamientos térmicos.

En los numerales b-d-f de la Figura 4-33 y Figura 4-34 se muestra la misma superficie

sometida a la prueba tribológica durante 30 minutos, allí se observan las superficies con

desgaste y acumulación de material desprendido de las superficies, especialmente del

disco y adherido a la superficie del pin, razón que se sustenta por ser el disco la superficie

con dureza inferior, entre los 58-60 HRC. También, se puede observar que hay pequeñas

zonas de la circunferencia plana donde no se entra en contacto, en algunos casos producto

de la formación de planos en los bordes luego de pulido manual (ver Figura 4-33 a), pero

el mayor porcentaje de la superficie presenta interacción con la superficie del contra

cuerpo.

a) b)


c) d)

e) f)

Figura 4-33. Superficie texturizada tipo D a), c), e) antes y b), d), f) después de las pruebas pin-disco en condiciones de deslizamiento en seco.

Los diseños tipo E para las dos profundidades presentaron mayor adhesión de material en

las superficies del pin, en el interior y borde de las ranuras (ver numeral d y f de la Figura

4-34). Aunque, en los bordes de las ranuras también se evidenció desprendimiento o

fractura de la superficie en forma de ruñido. Estas superficies muestran los mayores

valores de coeficientes de fricción comparado con las de tipo D, los bordes tienen acabado

recto y en estos se observó acumulación y desprendimiento de residuos particulados, los

cuales influenciaron directamente en el comportamiento tribológico, al igual que los borde

comportándose posiblemente como concentradores de esfuerzo.

Capítulo 4 105

a) b)

c) d)

e) f)

Figura 4-34. Superficie texturizada tipo E a), c), e) antes y b), d), f) después de las pruebas pin-disco en condiciones de deslizamiento en seco.

En la Figura 4-35 se pueden observar 3 casos particulares: Figura 4-35 a) desprendimiento

de material por zonas en los bordes superficiales de las ranuras fabricadas produciendo


localidades con alta deformación del borde. Figura 4-35 b) en la parte superior izquierdo

de la imagen se distingue una pequeña grita o ranura con una longitud alrededor de las 90

µm como iniciando el proceso de desprendimiento de material, por otro lado, en la parte

inferior derecha se muestra la aglomeración o adhesión de material particulado acumulado

en los bordes de la ranura por tramos, y Figura 4-35 c) se observa una partícula almacena

en la profundidad de la ranura , esta partícula posee una forma irregular con tamaños

variables.

a) b)

c)

Figura 4-35. Bordes de las ranuras deformados por el desgate tribológico. Imágenes tomadas en SEM con magnificaciones de a) y b) 100x y c) 1000x.

En la Figura 4-36. Se muestran las imágenes de SEM para la superficie ensayadas en

presencia de lubricante. En estas se observó una especie de pulido producto de un

desgaste inicial acompañado de adhesión de material ver Figura 4-36 a y b). Sin embargo,

en las Figura 4-36 c y d se presentó un caso poco usual, donde alrededor de 2 pines

Capítulo 4 107

presentaron zonas con adhesión de material particular en forma de capa laminar

posiblemente producto del desprendimiento superficial del disco aglomerado y adherido en

el pin por la presión de las condiciones del ensayo.

a) b)

c) d)

Figura 4-36. Imágenes SEM de superficies ensayadas en condiciones lubricantes a) 30x, b-c) 100x y d) 500x.

Para la clasificación del mecanismo de desgaste predominante en los ensayos tribológicos,

se verificó en las superficies rasgos característicos que nos permitieron definir qué tipos

de desgaste fueron observados. En la Figura 4-37 se observa la superficie de las zonas

centrales de la huella de desgaste superficial del pin y alrededor del borde, después de la

prueba pin disco. Se evidencia dos casos concretos con las partículas que han sido

separadas del material de origen: Uno. permanecer unida a otra aspereza como material

transferido de una superficie a otra (fundirse y adherirse) y dos, liberada como particular

de desgaste, lo cual se observó en la Figura 4-35 c.


Para las superficies secas se observa decoloración, cambiando de un color metálico a un

café oscuro tipo color oxido, asociado a las temperaturas en la interface de las superficies,

observado en la Figura 4-33 b, además, se observó grietas y fracturas en la los bordes de

las ranuras en las Figura 4-35 a y b. Por el contrario, en la Figura 4-34 b para ensayo

lubricados, se observó en las superficies un acabado tipo pulido, pero también, en Figura

4-37 c-d se muestran las mismas características que en los ensayos en seco.

Por lo discutido anteriormente se concluye que el mecanismo de desgaste predominante

en las pruebas es adhesivo, producto de las fuerzas adhesivas entre las superficies del

AISI 52100 y H13, por lo tanto, se favorece la formación de uniones entre ellas, y en

presencia del deslizamiento genera desprendimiento de material de la superficie con

menor dureza para este la parte móvil que es el disco.

a) b)

c) d)

Figura 4-37. Imágenes SEM superficies desgastadas a diferentes magnificaciones: a) 100x, b-c) 500x y d) 2000x.

Capítulo 4 109

En la Figura 4-38. se muestran los perfiles superficies después del desgaste, para las

superficies deslizantes sin lubricación al lado izquierdo se encuentran las superficies antes

de los ensayos tribológico y en el lado derecho al finalizar, se observa un acabado

superficial irregular para las figuras de la derecha productos del material adherido durante

las pruebas pin disco. En esta también, se perciben los cambios en las profundidades para

estos dos casos específicos, sin embargo, los valores para todas las categorías se

muestran en el Tabla 4-10, en la cual se encuentran cambios promedios desde 4,40 µm

hasta 8,30 µm para ausencia de lubricante y en presencia de lubricante diferencias desde

0,8 µm hasta 2,28 µm. Además, para las condiciones en seco se aprecia el mismo

comportamiento de las variaciones de profundidad que se observó en los valores de COF,

pero en las condiciones lubricadas el comportamiento fue diferentes, directamente en las

texturas tipo D donde sus resultados fueron opuestos, ya que a mayor profundidad las

profundidades presentaron menor variación.

a) b)

c) d)

Figura 4-38. Perfil de las superficies texturizadas a)-c) Antes de los ensayos tribológicos, b)-c) después de los ensayos tribológicos.

Con estos resultados se da cumplimiento al tercercuarto objetivo específico, cumpliendo

con la evaluación tribológica de las superficies determinísticas y analizando los resultados


con referencia a superficies estocásticas. Además, se relacionó los resultados obtenidos

con los resultados reportados en la literatura referente a la densidad de área texturiza,

pese a las diferencias del proceso de manufactura, evaluación tribológica y materiales

trabajados, se observó similitudes en los resultados, siguiendo el mismo patrón alcanzado

por otros investigadores, anteriormente mencionados.

Tabla 4-10. Cambios en la profundidad de las superficies.

Variaciones (µm)

Categoría Seco Lubricado

D40 4,63 2,28

D60 6,80 1,08

E40 4,40 0,80

E60 8,30 2,43

5. Conclusiones y recomendaciones

5.1 Conclusiones

• De la caracterización de la piel en sus diferentes niveles fue posible reconocer los

patrones geométricos que le confieren un desempeño tribológico superior con bajo

consumo energético, además de su capacidad para generar diferentes coeficientes de

fricción según la dirección de deslizamiento.

• Con el propósito de garantizar la precisión y reproducibilidad de los patrones

determinísticos fue necesario el refinamiento, acondicionamiento e ingenio de técnicas de

fabricación mecánicas convencionales como el CNC en la elaboración de superficies

patronadas dentro del orden micro y nanométrico.

• El diseño y la fabricación de superficies texturizadas con estructuras inspiradas en

piel de serpiente permitieron modificar satisfactoriamente el comportamiento tribológico de

la superficie del acero AISI 52100 bajo condiciones controladas de laboratorio en máquina

pin-disco.

• La implementación de las texturas permitió obtener reducciones del coeficiente de

fricción de hasta 42% en seco y del 19% con lubricante. A demás, se observó un aumento

en la resistencia al desgaste de las superficies texturizadas, beneficiando directamente los

consumos energéticos y las operaciones de mantenimiento.

• Los resultados reportados permiten verificar que las texturas realizadas cumplen

con los objetivos planteados como: acumulación de desechos de desgaste entre las

ranuras evitando que entren en contacto entre las dos superficies y favorezcan el


mecanismo de desgaste abrasivo, el cual no tuvo lugar en las superficies caracterizadas.

5.2 Recomendaciones

Se recomienda realizar estudios que puedan suministrar información sobre la superficie de

piel que tiene contacto directo con el sustrato y exhibe mayor desgaste, esto como un

factor adicional para comprobar causantes de las diferencias en su morfología y en sus

propiedades tribológicas.

Se evidenció cómo las crestas longitudinales están involucradas en la reducción de la

fricción en la dirección de deslizamiento. Pero se recomendaría realizar análisis adicionales

que permitan descubrir si la menor fricción en las escamas ventrales es para favorecer

funciones de locomoción en la serpiente o para evitar la abrasión de las escamas en

contacto.

Los ensayos en condiciones de lubricación deben plantearse para ser realizados con

variaciones temperatura del lubricante seleccionado porque de esta forma pueden

simularse las condiciones más cercanas a las de operación de un motor de combustión, el

cual constaría del avance de esta investigación.

Plantear mejoras para el desarrollo de los ensayos lubricado que permitan mejorar su

evaluación, por ejemplo, no fue posible verificar si las superficies fabricadas presentan la

capacidad de retención de lubricante para incrementar la lubricación en el contacto como

segunda fuente de lubricación; esto con base en los reducidos espacios sin lubricante

como camino luego de pasar el pin, observados durante los ensayos tribológicos.

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