Introduccin a la tribologa1.- Introduccin2.- Historia de la Tribologa3.- Aspectos econmicos4.- Aspectos energticos5.- Aspectos ecolgicos6.- Soluciones tribolgicas7.- Definiciones bsicas8. Sistema tribolgico; parmetros bsicos8.1.- Parmetros estructurales (materiales)8.2.- Parmetros operacionales8.3.- Parmetros de interaccin8.3.1.- Fuerzas y energa de interconexin8.3.2.- Modos de deformacin por contacto8.3.3.- Relacin entre rea de contacto y huella de desgaste8.3.4.- Modos de lubricacin9.- Caractersticas tribomtricas9.1.- Medida de la friccin9.2.- Medida del desgaste10.- Hoja de datos1. IntroduccinQu significa la palabratribologa? La palabra viene del griego tribosque significafriccin o rozamiento y logos que significa tratado o estudio. Etimolgicamente es la cienciade la friccin,la ciencia que estudia los fenmenos que se producen cuando dos superficiesen contacto se mueven una respecto a la otra. En una acepcin ms amplia, es la ciencia y latcnica de los sistemas en movimiento que se encuentran en contacto mutuo. Estudia y definetodos los problemas relacionados con el transporte de carga. Pretende dar una visin conjuntadelproblemadelrozamiento, eldesgasteylalubricacinquetradicionalmentesevenanestudiando por separado y por tanto abarca la friccin, el desgaste, la lubricacin, el diseo,as como muchos aspectos relacionados con la Fsica, la Qumica, la Mecnica, la Metalurgia,la Reologa, la Fisiologa, etc., por loque se convierte enuna autntica disciplina deIngenieraTribologa y lubricacinPgina1Introduccin a la tribologaAntes de discutir la importancia y tipos de los problemas tribolgicos en la industria,debemos tratar de esbozar una visin global del problema. La interaccin de dos superficiesslidas en un entorno dado resulta en unas manifestaciones externas:- Disipacindeenergaoriginadaporlaresistenciaal movimiento, caracterizadaporelcoeficiente de rozamiento. Esta disipacin resulta en una liberacin de calor en elcontacto y una pequea, pero a veces significativa, generacin de ruido. El hecho de quesiempresondos lassuperficies slidas que interaccionan implica que el coeficiente derozamiento hay que referirlo al par de superficies. Hablar del coeficiente de rozamientodel acero sin referirlo a la superficie sobre la que contacta es incorrecto y confuso. La ideade superficies sin friccin es cientficamente imposible, lo mismo que la afirmacin dequeunbajocoeficientedefriccinimplicaunacabadosuperficial finonosiempreescierta.- Modificacinde las caractersticas bsicas de las superficies durante el proceso dedeslizamiento. Puedenconvertirseenms pulidas orugosas, alterar sus propiedadesfsicas como la dureza e incluso perder parte del material en un proceso llamado desgaste.Los cambios pueden ocurrir de forma beneficiosa, como en el proceso de rodaje, cuandodos superficies se adaptan a condiciones casi ideales de funcionamiento, o pueden ocurrirde forma desastrosa, cuando se produce un fallo en la superficie de un componente queobligaareemplazar la pieza averiada, opuede desembocar enladestruccinde lamaquina.Prcticamente todo lo que se mueve forma parte de un sistema tribolgico, en el quepueden intervenir dos o ms slidos, slidos y lquidos y slidos y gases. Ejemplos son losmecanismos para transmitir movimiento o transformar energa en trabajo, la friccin de lostejidos, laaccindel airesobrelosvehculosterrestresolasaeronavesymuchosotros,incluidos los movimientos de las articulaciones animales.A primera vista podemos pensar que el objeto de la tribologa es reducir la friccin y eldesgaste. Una excesiva fuerza de rozamiento en la bisagra de una puerta sera inadmisible. Deformasimilar, todalaenergaempleadaenvencer laresistenciaenrodamientos yotrosmecanismossetransformaencalor, conlaconsiguienteprdida derendimiento. Perohaymuchas aplicaciones de ingeniera en las que senecesita aplicar la friccin para cumplir conlos requisitos funcionales del sistema. Losfrenos, embragues, ruedas devehculos, etc.,Tribologa y lubricacinPgina2Introduccin a la tribologafuncionan gracias a la existencia de la friccin, y la combinacin de tuerca y tornillo trabajapor la friccin entre ambos componentes.Algo parecido ocurre con el desgaste. Hay casos, como la adaptacin de las superficiesdurante el rodaje, en los que el desgaste evidentemente es deseable. En general, el desgaste esuna consecuencia indeseable del rozamiento entre superficies. El hecho de que uncomponentesedesgasteexcesivamentenosconducealadestruccindelamaquinatrassuperar cierto lmite, creando la necesidad de remplazarlo antes de traspasar el lmite citado.Cuandose conoce la evolucinde este fenmenoenuna fase de diseohablamos demaquinaria o componente de "vida limitada".Unmtododereducir lafriccinyamenudoel desgasteconsisteenlubricar lassuperficies. El estudio de la lubricacin esta muy relacionado con la friccin y el desgaste.Incluso en ausencia de un lubricante exterior, los agentes atmosfricos, en especial el oxigenoylahumedadpuedenactuar comoverdaderos lubricantes ydebentenerseencuentaencualquier estudio de superficies en contacto.2. Historia de la TribologaSera muy difcil,an remontndose a la Prehistoria y, dentro de ella, tanto como lopermitiera la existencia de datos conocidos, establecer cul fue la poca en la que el hombreinici su lucha contra los fenmenos de la friccin y el desgaste. Las primeras aplicacionesprcticasdebieronser generarcalor paraencenderfuegoyladesuperar lafriccinyeldesgaste enla construccinde sus armas arrojadizas ysus instrumentos rudimentarios.Cualquiera que fueran los primitivos medios de transporte para el arrastre, levantamiento ycolocacin de sus monumentos megalticos, tuvo que tropezar con los fenmenos de friccin.Podemos afirmar que, desde el comienzo de su existencia, debi enfrentarse a los fenmenosde friccin y desgaste, intentando suavizarlos y disminuirlos. El inventodelaruedaseconocecomounodeloshitosdelahumanidad. El usoadecuado deesteinventopermitereducir el trabajo necesario para superar la friccin.Losestudios arqueolgicos concluyenqueel hombrereconocilas ventajas del movimientorodado frente al deslizado hacia el ao 5.000 a.C. en algn lugar de Mesopotamia.En la construccin de las pirmides (del 5.000 al 3.000 a.C.) ya se utiliz el sustituir losmaterialesdelassuperficiesencontacto(maderasobresuelo) por otracombinacinconmenor coeficientederozamiento(patndemaderasobretroncos demadera) yel patndeslizante, porque las ruedas no soportaban grandes cargas. La pintura mural queTribologa y lubricacinPgina3Introduccin a la tribologareproducimosenlafig. 1.1, halladaenunagrutadeEl Bersheh(BajoEgipto), tieneunaantigedaddeunos4.000aosyrepresentaminuciosamenteel trasladodeuncolosodealabastro con unos rodillos sobre dos patines de madera. Es curioso comprobar la exactituddel clculo que tuvieronque efectuar los tcnicos encargados de aquella operacindetransporte.Fig. 1.1. Pintura mural de la gruta de El BershehBasndonos ensus dimensiones comparativas yendatosdejeroglficos anexos sepuedeadmitir razonablementequelaestatuadealabastropesabaunas60toneladas. Lasdimensionesestimadasdel patindemaderautilizadoparasutrasladoesdeunos5mdelongitud por unos 40 cm de anchura, lo que nos da una presin unitaria sobre el suelo de unos1,5 kg/cm2. Sabemos que el coeficiente de friccin de madera sobre madera lubricada, es delorden de 0.16. Admitiendo que la fuerza de traccin desarrollada por un hombre esaproximadamente de unos 55 Kg, calculamos que se necesitan 174 hombres para el arrastre. Kg 9.600 60.000 0,16 F FN f= - = - = 174,5559.600hombres de N = =Lo curioso es que aparecen minuciosamente dibujados 172 hombres empleados en latraccin adems de un capatazque aparece derramando el lubricante y otros tres que llevanrecipientes o jarras con lubricante de reserva.Por aquella misma poca, tambin los egipcios empleaban grasas animales enlalubricacin de los ejes de sus carros de guerra. En el ao 1.400 a.C. los egipcios utilizaron lasprimeras grasas sintticas, fabricadas de aceite de oliva con cal, para la lubricacin de los ejesde madera de sus carruajes.Tribologa y lubricacinPgina4Introduccin a la tribologaPlinioel Viejo(23a79d.C.) ensuHistoriaNaturalcompilunalistadeaceitesvegetales que consideraba podan ser utilizados como lubricantes.Elestudio cientfico de la dinmica del movimiento y de los fenmenos de friccin esmucho ms reciente. Se han encontrado manuscritos de Leonardo da Vinci (1.4521.519) condetallesdeclculosenlosquetieneencuentalafuerzaderozamiento. Leonardollegaconcluir que exista una relacin constante de entre la resistencia y la fuerza normal.Apartir del sigloXVIIlalubricacinabandonasusplanteamientosempricosysecomienza a tratar de forma cientfica, debido fundamentalmente a Galileo (1.5641.642) porsus estudiossobreelrozamientoy el plano inclinado y la formulacin del principio delainercia y a los descubrimientos de Newton (1.642-1.727) sobre la resistencia viscosa de losfluidos y el enunciado de las leyes bsicas por las que se rigen los fenmenos de lubricacin,expuestos ensuobraPrincipios matemticos de la filosofanaturalen 1.687. Ambossentaron las bases para el estudio del movimiento.A partir de esta fecha, los trabajos de Amontons (1.663-1.705) en su obra Nueva toeradel rozamientoy Coulomb (1.736-1.806) con su Teora de las mquinas simples, mostraronquelafuerzaderozamientoesproporcional alafuerzanormal, llamandocoeficientederozamiento a la relacin entre ambas (= Ff/ FN) y comprobaron que es independiente delrea de contacto. Ambos formularon algunas reglas sobre el comportamiento de los slidosrespecto a la friccin, basndose en la generalizacin de los resultados de una gran cantidadde experimentos, sin llegar a encontrar su justificacin terica.Con la revolucin industrial se pasa de la fase de postulados y teoras a la de ensayos yrealizaciones prcticas, inicindose el estudio de los principios de la hidrodinmica,fundamento de los cojinetes lubricados. Petroffen 1855 pone de manifiesto las propiedadeslubricantes de los aceites minerales destilados del petrleo bruto. En 1.872 Tower publicaLaconductividad de los lquidos, confirmando experimentalmente los trabajos de Petroff.Posteriormente Reynolds estudia el comportamiento dinmicode los lquidos yfluidosviscosos, demuestralaexistenciadeunavelocidadcrticaysubrayalaimportanciadelarelacin conocida como N de Reynolds que permite clasificar el movimiento de los lquidosen rgimen laminar o turbulento.Kingsbury, enEstados Unidos; el ingenieroaustralianoMichel, LascheyStribeck,efectan pruebas ycreantesis sobre la lubricacin de cojinetes, profundizando en losTribologa y lubricacinPgina5Introduccin a la tribologaconocimientos para reducir los coeficientes de friccin y evidenciando la importancia de lasnuevas tcnicas.La vertiginosa marcha de la Humanidad a partir de la I Guerra Mundial (1.914 a 1.918)enloqueal progresomecnicoserefiere, conlacreacindeunaseriedemquinasymecanismos de las ms diversas clases y aplicaciones, con crecientes exigencias en cuanto arendimiento, velocidad, potencia y precisin ha obligado a mejorar y perfeccionar la tcnicade lubricacin de las mismas. Sera inacabable la relacin de investigadores y tcnicos quehan colaborado en esta rama de la ciencia.La complejidad de los problemas de una correcta lubricacin en cualquier mecanismo,su importancia en cuanto a la econmica utilizacin de ste, a su conservacin y a su ptimofuncionamientoyduracin, hancontribuidoa la emancipacindelaTribologa como unaramaindependientedelaciencia. Lasleyesquelarigen, siendocasosparticularesdelaMecnica, Termodinmica, QumicaoHidrodinmica, sufrenenlafaseexperimental talcantidad de variaciones respecto a sus fundamentos bsicos, que precisan un campo privadode estudio, ntimamente ligado a los constantes progresos y mejoras en las teorasconstructivas de maquinaria, mecanismos y motores trmicos. Hoy no se concibe laformulacin de un problema de lubricacin sin tener en cuenta todos los aspectosrelacionados conl, ydeconceptos tanconcretoscomofriccin, temperatura, rugosidadsuperficial, etc., se ha pasado a la utilizacin de trminos mucho ms amplios como sistematribolgico, constituido por los materiales que friccionan y su ambiente, lo que determina lacohesin de esta ciencia interdisciplinaria. La Tribologa se encuentra organizada racional y metdicamente en los laboratorios ycentrosdeinvestigacinyorientacinindustrial, tantopblicoscomoprivados, enpasesavanzadosenesta materia,comoAlemania, Blgica, Francia, Inglaterra, Estados Unidos yRusia.Conobjetode aunaresfuerzos y llegar a criterios generalizados se cre el ConsejoInternacional deTribologaquetieneasignadalamisindecanalizar lainformacinquerecibe de todo el mundo, fomentando las actividades tribolgicas en los pases, convocandocada cuatro aos un Congreso Internacional cuya sede cambia de localizacin de una vez aotra.EnEspaaserealizanactividades tribolgicasencentros del ConsejoSuperior deInvestigaciones Cientficas. En 1.975 se cre el Grupo Especializado en Tribologa como unaTribologa y lubricacinPgina6Introduccin a la tribologarama de la Sociedad Espaola de Fsica y Qumica, con el objeto de impulsar la enseanza,investigacin, desarrollo y promocin de la Tribologa. 3. Aspectos econmicosLas principales consecuencias de la friccin son el desgaste y la prdida de energa. Nonos ha de sorprender la estimacin de Rabinowicz que cerca del 10 % de la produccin deenerga mundial se use para superar las resistencias por algn tipo de friccin. Utilizandolas mejores prcticas tribolgicas podemos contribuir de forma efectiva a la conservacin delosrecursosquetantopreocupaalasociedadenlaquevivimos. Por estosmotivos, losgobiernos delos pases desarrollados hanrealizadoestudios paravalorar las prdidas einvierten recursos para mejorar sus practicas tribolgicas.Durante la Segunda Guerra Mundial (1.939 a 1.945), el Tercer Reich Alemn, a travsde la Universidad Tcnica de Dresde y con la colaboracin estadstica de varios Ministerios,emprendi una intensa labor de investigacin sobre los fenmenos de la friccin y el desgasteen los motores trmicos y sus consecuencias en el orden industrial y econmico. Tomamos deeste trabajo la siguiente cita: La economa de una nacin puede quedar gravemente afectadapor efecto de los desgastes excesivos de los elementos constitutivos de los motores y de lamaquinaria de sus industrias, por lo que creemos que para lograr un mejor rendimiento yuna mayor productividad, es preciso emprender una intensa campaa contra el desgaste ylos fenmenos de la friccin.Aunque nos quede un poco distante en el tiempo, es obligado citar los resultados delinforme Jostde 1.966, elaborado por el comit britnico deLubrication (Tribology),Education and Research. El informe estim que, por la correcta aplicacin de los principiostribolgicos, se podran ahorrar anualmente en el Reino Unido una cantidad no inferior a 515millones de libras por ao. En la fig. 1.2 puede verse la proyeccin del mismo informe al ao1.986. Fig. 1.2. Proyeccin del informe Jost a 1.986Tribologa y lubricacinPgina7Introduccin a la tribologaEn1.970los Estados Unidos consuman1/3delaenergamundial, delacualprovena del petrleo. Solamente el 10% de las reservas mundiales correspondan a este pasmientras la Unin Sovitica contaba con el 26%. Adems, USA haba gastado la mitad de susreservas mientras los soviticos solo explotaban un 6% de las suyas. Se pusieron en marchaestudiosparael ahorroenergtico. En1.978el comitdeinvestigacindeASME, ensuinforme Strategy for energy conservation trough tribology, indic que los ahorros de energase puedenobtener encuatrogrupos principales: transportepor carretera, generacindepotencia, turbomaquinaria y procesos industriales. Estim en un 11% el potencial de ahorro,valorndolo en unos 16 billones de dlares, con una inversin mnima de tan solo 24 millonesde dlares.En la tabla 1.1 esta tabulada la evolucin de los consumos y despilfarros de energa enUSA por los cuatro grandes sectores de usuarios, que los podemos usar como referencia deconsumo en los pases industrializados.ENERGA DESPERDICIADA POR SECTORES EN USAPeriodoSectorEnerga entrada Energa desperdiciada10 14 Kcal. % del total 10 14 Kcal. % del sector% del totalTribologa y lubricacinPgina8Introduccin a la tribologaDatos de1..970Transportes 10,25 24 7,62 75 17,9Servicios 9,37 32 6,12 65 14,4Industrial 13,12 31 4,25 25 7,6Comercial 10,00 23 2.50 25 5,9Total 42,74 100 20,49 --- 45,8Previsinpara1.990Transportes 8.3 25 15,50 75 19Servicios 12,4 37 20,50 67 24Industrial 7,2 22 5,65 32 7Comercial 5,5 16 4,88 35 6Total 33,4 100 46,53 --- 56Tabla 1.1. Energa total y desperdiciada en USAEstudios similares se han realizado en varios pases desarrollados, considerando no soloel ahorro de energa sino tambin el de materiales. La R.F.A. segn datos de 1.976 estimabaen10billonesdemarcoslasprdidasporfriccinydesgaste, siendolamitaddebidasadesgaste abrasivo.Calculemos a ttulo de ejemplo, en unos 200 millones, el nmero de vehculosautomviles que circulan por el mundo y supongamos un peso medio por vehculo de unos1.500 Kg. Esto representa nada menos que unos 300 millones de Toneladas de metales que,adems de los frricos, comprenden en menor cuanta otros de mayor valor, tales comoelcobre, el plomo, el zinc, el manganeso, el vanadio, el tungsteno, el molibdeno, el cromo, etc.Despus denomsdediezaos sernconsideradoscomochatarra. Imaginemosculespueden ser las ventajas econmicas que se obtendran si se consigue, mediante una adecuadaprctica tribolgica un aumento, aunque sea pequeo, en la vida til del vehculo. Ampliemosel problema incluyendo el sector industrial con un nmero parecido de mquinasherramientas y de mecanismos. Con un adecuado mantenimiento y conservacin es indudableque se obtendran incluso mejores resultados.4. Aspectos energticosLaprdidadeenergaaparececomoconsecuenciadel trabajoqueserealizaparasuperar las fuerzas de friccin y por tanto, la reduccin de este trabajo representadirectamente un ahorro. Adems de este ahorro directo, la tribologa ayuda con lainvestigacin de mejor maquinaria y produce un ahorro considerable al disminuir el desgaste,lo que repercute en menos paradas para sustituir partes desgastadas (que a su vez requierenTribologa y lubricacinPgina9Introduccin a la tribologaconsumo de energa para fabricarlas, e incluso operaciones de minera) y en el coste de losrepuestos.Los tres factores que contribuyen directamente a la disipacin de energa de friccin sonel contacto directo, el esfuerzo viscoso y las prdidas por histresis. Son manifestaciones delas fuerzas de atraccin entre los tomos o molculas y de la existencia de bajos estados deenerga potencial.El tipodecontactodependedelanaturalezadelos materiales, el acabadodelassuperficies, laintensidaddelacargaalaqueestnsometidasylavelocidadrelativa. Eldeslizamiento produce siempre un cierto grado de desgaste. Los bajos coeficientes de friccinno siempre van unidos a desgastes pequeos. Por eso el diseador de una maquina eficientedebe equilibrar el desgaste y la friccin buscando siempre el ptimo.Cuandoseevitaelcontactodirectoentresuperficiesintroduciendounlubricante, seproduce disipacin de energa debido a las fuerzas de viscosidad. En la mayora de los casosla energa consumida en cizallar el lubricante se controla por las leyes del flujo laminar defluidos, pero cuando las fuerzas de inercia son altas comparadas con las fuerzas viscosas delfluido, aparece la turbulencia que origina una gran disipacin de energa. Cuando se produceun aumento de la viscosidad al incrementar la presin se ayuda a mantener la separacin entresuperficies sometidas a cargas hertzianas, se reduce o elimina el desgaste, pero se produce unaumento en la friccin debido a la alta viscosidad.El tercerfenmenoqueproducedisipacindeenergaeslahistresis. Lahistresismecnica es una prdida de energa dentro de la masa de los materiales slidos y ocurre porejemplo en los rodillos fuertemente cargados. Consiste en la falta de coincidencia entre lascurvas de extensin ycontraccin en los diagramas que muestran la correlacin entreesfuerzo y deformacin de un material plstico. La histresis elctrica y la magntica puedenaparecer en cojinetes magnticos y en cojinetes donde estn presentes campos magnticos ypelculas de aceite.Laaportacindelatribologaenlaconservacindelaenerganosolosereduceacontrolarlafriccin, sinoquetambininfluyeenel proceso. Lastemperaturasalasquepueden trabajar los cojinetes y los cierres normalmente limitan las temperaturas de operacinque pueden tolerarse en maquinas de motor caliente. Aumentando las primeras se consiguemayor eficiencia del ciclo de Carnot y por tanto conservacin de energa a lo largo de la vidade la mquina.Tribologa y lubricacinPgina10Introduccin a la tribologaLa segunda ley de la termodinmica afirma que aunque es posible convertir el trabajocompletamente en calor, el proceso no es reversible, es decir, el calor puede convertirse entrabajotansoloparcialmente. El mximo trabajoquepuedeobtenerse deunacantidaddeterminada de calor esta definido por la eficiencia de Carnot, que solamente depende de dosparmetros, las temperaturas absolutas iniciales yfinales del sistema. Para alcanzar lamxima eficiencia posible se debe tener la mxima temperatura de entrada, Ti, y la ms bajade salida, Tf.if iTT - T= qEl sector del transporteconsumeentornoal 25%delaenerga. Enlatabla1.2podemos ver que solo el 12 % de la energa consumida por un coche llega a las ruedas, quejunto con el 2,5 % consumido por los accesorios supone un aprovechamiento del 15 %. Elrestante 85 % es energa perdida. Hay que estudiar un mejor aprovechamiento, mejorando losmateriales, los lubricantes y otros puntos relacionados con la tribologa.Los puntos ms importantes que pueden afectar a la economa del motor de losautomviles son el conjunto pistn camisa, la viscosidad del aceite, la transmisin y el tipo demotor. - 29 % refrigeracin del cilindro - 33 % al escape* 6 % bombear aire- 38 % restante* 4 % otras fricciones del motor* 3 % prdidas en cilindro y camisa - 12 % a las ruedas:6 % neumticosTribologa y lubricacinPgina11Introduccin a la tribologa6%resistencia aerodinmica * 25 % restante- 4 % impulso y ralent - 3,5 % frenadas- 2,5 % accesorios:0,5 % alternador0,5 % direccin 0,5 % bomba de aire0,5 % bomba de agua0,5 % ventilador- 1,5 % transmisin- 1,5 % diferencialTabla. 1.2. Distribucin de la energa consumida por un turismo durante un ciclo EPA5. Aspectos ecolgicosLa justificacin desde el punto de vista ecolgico esta relacionada fundamentalmentecon la lubricacin. Mejorando las propiedades de los lubricantes se pretende optimizar susprestaciones y consumos, por lo que se generarn menos residuos. Enel desarrollodelubricantes sintticosunacaractersticaimportanteesqueseanbiodegradables.Con el diseo de mquinas hermticas se ha conseguido lubricar los cojinetes con elpropio fluido trasegado permitiendo a las mquinas trabajar sin generar lubricantes usados.Los mismos beneficios se consiguen con los cojinetes magnticos. Los ltimos avances estn en la lnea de cojinetes hidrostticos que evitan el contactoentre partes metlicas en arranques, paradas y durante la operacin de la mquina,consiguiendo que el lubricante tericamente sea eterno.6. Soluciones tribolgicasEnestepuntovamosaintroducirdeformaconceptual diferentes soluciones,de usocomn en la industria, al problema de soportar un esfuerzo a travs de unas superficies, conun nivel aceptable de friccin y desgaste.- Lubricacin:Las superficies de contactoestnseparadas por unproductogaseoso,lquido o slido. En los dos primeros casos, el fluido esta sometido a la presin necesariaparamantener lassuperficies separadas. Lapresinpuedeproducirsepor unsistemaexterno de bombeo, lubricacin hidrosttica, o generarse en el mismo sistema debido a suparticular geometra ycondiciones de funcionamiento. Este sistema da lugar alaTribologa y lubricacinPgina12Introduccin a la tribologalubricacinhidrodinmicaydepende fundamentalmente dela viscosidaddel fluido.Tambin se utilizan lubricantes slidos como el grafito y el bisulfuro de molibdeno ascmo productos viscoplsticos (grasas) obtenidos al espesar un aceite mineral o sintticocon un jabn normalmente metlico.- Rodamientosycojinetes:Lassuperficiesseseparaninterponiendobolasorodillosobien piezas porosas autolubricantes. La gran variedad de cojinetes y rodamientos usadosen la industria evidencia el valor de esta solucin.- Tratamientos y recubrimientos de materiales: Modificacin de las propiedades fsicasde los materiales encontactoy/ode sus superficies mediante tratamientos trmicos(temple, cimentacin, nitruracin) o con aportacin de elementos metlicos, qumicos oplsticos.7. Definiciones bsicas- Friccin: Resistenciaal movimientoqueseexperimentauncuerposlidoal deslizarsobre otro. La resistencia, que es paralela a la direccin del movimiento, se llama fuerzade rozamiento.- Desgaste: Dao que sufren las superficies cargadas, en movimiento relativo, acompaadode prdida de material.- Esfuerzo:Fuerzaexterior aplicadaal sistema. El sistemadefuerzas aplicadoaunasuperficie se reduce a una resultante general y a un par. La resultante produce variacionesen la longitud, traccin y compresin, mientras que el par modifica la curvatura, flexin ytorsin. - Tensin:Reaccin del sistema a los esfuerzos externos. Las tensiones normales,o, lasproducen esfuerzos normales a la seccin y las tensiones tangenciales o de cizalladura, t,se deben a esfuerzos tangenciales a la seccin.- Deformacin elstica: La que es reversible y sin prdida de energa. Se produce desde laausencia de esfuerzo hasta el lmite elstico. Responde aLey de Hooke: lasdeformaciones son proporcionales a los esfuerzos. - Deformacinplstica:La que se produce una vez superado el lmite elstico. Esirreversible y va asociada a una disipacin de energa.- Lmite de fluencia:Valor de la fuerza por unidad de superficie que marca el lmite deldominio plstico. Tribologa y lubricacinPgina13Introduccin a la tribologa- Lmite elstico:Valor mximo de fuerza por unidad de superficie para el cual ladeformacin permanente no supera el valor predeterminado del 2%.- Cargaderotura:Valormnimodelafuerzaporunidaddesuperficieconel queserompe la pieza.- Dureza:Capacidad de resistir la penetracin superficial. El ensayo consiste en medir lahuellaproducidapor unestiletedepuntaesfricadeacero(Brinell) odediamante(RockwellC). Paralosmateriales frricosexisteunabuenacorrelacin entredurezayresistencia a la traccin.- Superficies conformes: Son las que encajan una en la otra con un alto grado de similitudgeomtrica. La carga se reparte en una superficie relativamente amplia como ocurre en loscojinetes de manguito.- Superficies disconformes: Son aquellas en las que por razn de su geometra el contactose realiza en un rea relativamente reducida, como ocurre en los rodamientos de bolas.- Reologa: Estudio de las leyes que rigen el comportamiento de los cuerpos deformables,viscosidad, plasticidad, elasticidad y el flujo o movimiento de la materia.- Histresis:Falta de coordinacin entre dos procesos interrelacionados, el retardoen laevolucin de un fenmeno con relacin al otro. Debido a la histresis la evolucin de unprocesofsicodependedelahistoriadel mismodeformaqueel estadodel sistemadepende de la causa que produce la modificacin y de los valores alcanzados en procesosanlogos anteriores. Debido a lahistresis elstica seproduce una falta de coincidenciaentre las curvas de extensin y contraccin en los diagramas que muestran la correlacinentre esfuerzo y deformacin de la materia elstica.- Mdulo elstico o de Young, E: Relacin entre el esfuerzo a traccin,o, aplicado a uncuerpo y el alargamiento unitario que le produce, en la zona de deformacin elstica.- Coeficiente de Poisson,v:Relacin entre la contraccin unitaria,cS, y el alargamientounitario,cL, producidos en un cuerpo sometido a esfuerzo de traccin,o, en la zona dedeformacin elstica.LEco=,LSccv=,SF= o ,000LL - L LL=A=Lc,000SS - S

SS=A=ScTribologa y lubricacinPgina14Introduccin a la tribologa8. Sistema tribolgico; Parmetros BsicosUn sistema es un conjunto de elementos interconectados por su estructura y funcin. Elms simple de los sistemas tribolgicos es el formado por dos slidos, elementos 1 y 2, unagente lubricante y el entorno. Para definir completamente el sistema tendremos quereferirnos a las propiedades de cada elemento y sus funciones.Los tribosistemas que nos encontramos en aplicaciones de ingeniera desde el punto devista funcional se pueden clasificar de forma general en uno de los siguientes grupos:- Transmisin:guiado, acoplamiento, control, paroeinhibicin demovimiento, fuerza,energa mecnica y potencia, cojinetes, juntas, engranajes, embragues, pernos, frenos, etc.- Transporte ycontrol de flujo:tuberas, rueda, ral, neumtico, carretera, vlvulas,cierres, etc.- Mecanizado:conformado, maquinadoydesgarrode materiales, prensado, torneado,fresado, etc.- Generacin y transmisin de informacin:cabezales de impresora, dispositivosmagnticos de grabacin, etc.Vamos a intentar definir un ensayo tribolgico de laboratorio con la intencin de vertodas las caractersticas y factores que le afectan. Nos permitir obtener una visin general dela tribologa y seleccionar las variables en las que podemos influir en situaciones reales.Para entender el alcance del ensayotribolgico lo compararemos con un ensayomecnico. Enlos ensayos mecnicos la resistencia del material, expresada en unidades defuerzapor seccin, sedeterminaaplicandociertos esfuerzos comotraccin, compresin,desgarro, torsinoflexin. Losresultados obtenidos se consideran propiedades intrnsecasdel material y se les puede aplicar la ley de semejanza, segn la cual, los resultados obtenidosen una probeta son aplicables a otras de dimensiones diferentes, si son semejantes en forma.Bsicamente dependen de dos grupos de parmetros:- Parmetros materiales: composicin, microestructura y geometra de la probeta.- Parmetros operacionales: tipo de esfuerzo, carga, temperatura, velocidad dedeformacin.Sicomparamosel ensayomecnico, para obtener datos de resistencia, con el ensayotribolgicoparaobtenerdatosdefriccinydesgaste, fig1.3, vemosqueenstehayqueconsiderar numerosas caractersticas y factores. La friccin y el desgaste no son propiedadesTribologa y lubricacinPgina15Introduccin a la tribologaintrnsecasdelosmateriales, sinoquehayquereferirlosal sistematribolgicocompleto,normalmente los materiales que interaccionan y ellubricante interpuesto. Fig. 1.3. Caractersticas de ensayos de resistencia de materiales y tribolgicos.En el ensayo de un sistema material/material (friccin seca) o de un sistemamaterial/lubricante/material (friccinlubricada), la resistencia al movimiento,friccin, olaresistencia al dao de la superficie, desgaste, viene determinada por el tipo de movimiento,rodaduraodeslizamiento. Losresultadosobtenidoshayqueentenderlosasociadosconuntercer grupo de parmetros:- Parmetros estructurales (materiales): las propiedades fsicas, qumicas y tecnolgicasde los componentes (materiales, lubricante, y entorno) involucrados en el ensayo.- Parmetrosoperacionales: sonlacarga, cinemtica, condicionesdetemperaturayladuracin.- Parmetros interaccionales: caracterizan la accinde los parmetros operacionalessobrelos componentes estructurales del sistemaydefinensus modos decontactoylubricacin.Parmetros estructurales (materiales)El anlisis de los parmetros estructurales debe identificar los componentesinvolucrados en un sistema tribolgico. En cualquier situacin de friccin y desgaste, estninvolucrados cuatrotribocomponentes: los triboelemento1, triboelemento2, el elementoTribologa y lubricacinPgina16Introduccin a la tribologainterpuesto, por ejemplo lubricante o partculas de polvo y el medio ambiente, por ejemploaire o atmsfera corrosiva. Atendiendo a su estructura, los tribosistemas se pueden clasificar en- Cerrados: los tribocomponentes se encuentran continuamente involucrados enlafriccin y el desgaste- Abiertos: existe un flujo de material hacia y desde el sistema, por ejemplo sistemas defabricacin por mecanizado o moldeado. Suelen ser difciles de caracterizar.En la fig. 1.4 se muestran elementos estructurales y las correspondientesconfiguraciones simplificadas de ensayo de los ejemplos tabulados a continuacin:Tribosistema Elemento 1 Elemento 2 Elem. interpuesto AmbienteCaja de engranajes Engranaje 1 Engranaje 2 Aceite aireRueda/rail Rueda Rail Humedad aireGua de deslizamiento Gua Soporte Grasa aireCojinte Casquillo Eje Lubricante nieblaExcavadora Pala Tierra --- polvoMolino Rueda Mandbula Mineral aireTribologa y lubricacinPgina17Introduccin a la tribologaFig. 1.4. Configuracin de ensayo y estructura elemental de tribosistemas.Los parmetros estructurales de los tribosistemas cerrados se puedenclasificar lamayora de las veces en dos grupos.En el primero se incluyen los parmetros que dependen de los triboelementos l y 2:- Parmetros qumicos: comolacomposicindelacapasuperficial, delas capas msinternas, subcapas y la composicin del ncleo.- Parmetros fsicos: como la conductividad trmica.- Parmetros mecnicos: el mdulo de elasticidad, dureza, y fragilidad, etc.- Parmetros geomtricos: geometra, dimensiones, y topografa de superficie.- Parmetros microestructurales: tales como el tamao del grano, densidad de dislocacin, yenerga de adherencia.En el segundo grupo se engloban los que dependen del elemento interpuesto y el medioambiente:- Propiedades qumicas:composicin, contenido de aditivos, acidez y humedad.- Propiedades mecnicas: viscosidad y caractersticas de viscosidad temperatura yviscosidad presin.- Propiedades de los elementos aadidos como el polvo, humedad, suciedad, etc. Parmetros operacionalesLos parmetros operacionales caracterizan las condiciones de funcionamiento deltribosistema. Son variables independientes que se pueden modificar durante el ensayo,exceptuandolatemperaturainducidapor lafriccin, paraobtener losdatosdefriccinydesgaste experimentalmente. Los parmetros operacionales bsicos son:- Tipo de movimiento: es decir, la cinemtica de los triboelementos 1 y 2, que a su vez sepuede clasificar como deslizamiento, rodadura, rotacin e impacto como se muestra en lafig. 1.5. Hay que considerar todas las posibles combinaciones y si es continuo,intermitente, inverso u oscilante.- Carga (FN): definida como la fuerza total, incluyendo el peso, que acta perpendicular alrea de contacto entre los triboelementos 1 y 2.- Velocidad (u): que se especificar con respecto a los vectores componentes y los valoresabsolutos de los movimientos individuales de los triboelementos. Hay que distinguir entrela velocidadrelativa ur, importante para la temperatura inducida por la friccin, laTribologa y lubricacinPgina18Introduccin a la tribologavelocidadtotal (suma de velocidades) ut, importante ensistemas lubricados para laformacin de pelculas hidrodinmicas y la relacin entre deslizamiento y rodadura.- Tiempo: dependencia de un conjunto de parmetros operacionales (FN, u y T) de ciclos decarga e intervalos de calentamiento y enfriamiento.- Temperatura (T): de los componentes estructurales en situacin y tiempo determinados, esdecir, la temperatura inicial de los elementos (situacin estable) y la temperatura inducidapor la friccin, que debe estimarse calculando el calor de friccin.- Duracin (t): de operacin, actuacin o ensayoAdems deestos parmetros operacionales puedeser necesarioel estudiodeotrasvariables que distorsionen el ensayo como vibraciones, radiaciones, etc.Fig. 1.5. Cinemtica de tribosistemas.Parmetros de interaccinLos parmetros de interaccin caracterizan la actuacin de los parmetros operacionalessobre los componentes estructurales del tribosistema. Definen el modo de contacto y el modode lubricacin de un tribosistema con una estructura material/material omaterial/lubricante/material dada. El mododecontactodedoscuerposslidos secaracterizamicroscpicamenteporinteracciones entre los materiales, que dependen de los esfuerzos del contactoyde ladistribucindelos mismos. Las fuerzas deinteraccinentrelos materiales causanunaTribologa y lubricacinPgina19Introduccin a la tribologaresistencia al movimiento, friccin, y pueden conducir a dao en la superficie, desgaste. Lasinteraccionesdeesfuerzosymaterialesenuntribosistemasedenominanmecanismosdefricciny desgaste, ode forma general, procesos tribolgicos, yde manera especficaadhesin, abrasin, reacciones triboqumicas, fatiga superficial, etc.8.1Fuerzas y energa de interconexinTericamentelasfuerzasinteractivasqueactanenel contactodeslidosincluyentodos los tipos defuerzasatmicas ymoleculares quecontribuyenalacohesindelosslidos. Nos referimos alas fuerzas debidas alosenlaces, yaseanmetlicos, inicos ocovalentes yalas fuerzasdevander Waals. Estasfuerzassuperficiales dependendelanaturaleza fsico-qumica de los materiales, de la estructura ycomposicin de la capasuperficial y de sus contaminantes. Hay que tener en cuenta que la composicin qumica, lanaturaleza electrnica o la microestructura de la superficie pueden ser bastante diferente de lade las capas ms profundas.Experimentalmente la nica forma de caracterizar las interacciones adhesivas entre doscuerposslidosencontactobajounacarganormal FN, esmedir lafuerzaFa, desentidoopuestoa FN, necesariaparadestruir los enlaces y separar las dos superficies.La relacinentre ambas fuerzas se denomina coeficiente de adhesin (a = Fn / Fa). Las fuerzas interactivasentre los tomos de los picos de las superficies, incluyendo las de friccin, se pueden medircon un microscopio de fuerzas atmicas (nivel de ruido 2*10E-11 N). En trminos energticos, la formacin de un contacto slido/slido resulta enlaliberacin una energa de superficie, consecuencia de la sustitucin de dos superficies por unainteraccin slido/slido de menor energa superficial. El cambio en la energa de superficieporunidaddereadecontactosepuedeescribircomoA=1+2-12siendo1laenergasuperficial del cuerpo 1, 2 la del cuerpo 2 y 12 la energa de interaccin.8.2Modos de deformacin por contactoCuando dos materiales slidos planos y secos, se ponen en contacto esttico, sometidosalaaccindeunacarganormal, las asperezas del tribocontactosedeformanelsticaoplsticamente por la accin de la carga. El ndice de plasticidaddefine el modo dominante dedeformacin y depende de las propiedades de deformacin y de los parmetros topogrficosde la superficie de los triboelementos. La suma de las reas de los puntos de contacto da elrea real de contacto, Ar, que es mucho ms pequea que el rea geomtrica, o, rea aparentede contacto.Tribologa y lubricacinPgina20Introduccin a la tribologaEl rea real de contacto cuando hay deformacin elstica depende fundamentalmentede la relacin de FN al mdulo elstico compuesto E y cuando la deformacin es plstica, dela relacin FN al lmite elstico Eo , o la dureza H del ms blando de los cuerpos. Si ademsdelacarganormal FNseintroduceunafuerzadefriccinFf, las asperezas decontactoaumentan y tendremos una rea de contacto considerablemente mayor. Los parmetros quecaracterizan el contacto de dos materiales estn resumidos en la fig.1.6. Adems, enaplicaciones de ingeniera, el modo de deformacin de contacto puede verse influidoadicionalmente por ciertas perturbaciones como la desalineacin y las vibraciones.Fig. 1.6. Caractersticas de un tribocontacto entre dos cuerpos slidosLos esfuerzos decontacto en un tribosistema dependen del grupo de parmetros quecaracteriza la geometra del contacto, por ejemplo configuraciones de contacto conformes onoconformes, laelasticidad, viscoelasticidad, plasticidad, odurezadelosmaterialesylacarga externa esttica o dinmica.Para cuerpos disconformes, la situacin de contacto elastoesttica a nivel macroscpicose define por las ecuaciones de Hertz. Para ilustrar los parmetros bsicos consideraremos elcontacto puramente elstico de dos cuerpos esfricos de radio r1 y r2, mdulo elstico E1 y E2Tribologa y lubricacinPgina21Introduccin a la tribologay coeficientes de Poisson v1 y v2, bajo una carga normal Fn dibujado en la fig. 1.7. La presinde contactoPenel punto 1situado dentro del rea de contacto y el radio de contactoaHvienendadospor lassiguientesfrmulas, siendor el radiodecurvaturayEel mduloelstico compuesto: 212H2HNa1- 1a 2 F 3P(((

||.|

\|=t31N31H F E 2r 3a|.|

\|=12 1r1 r1r ||.|

\|+ =1222121 E 2- 1 E 2- 1E||.|

\|+ =v vCuando adicionalmente se aplica una fuerza tangencial Ftmenor que FN-(es elcoeficientedefriccinesttico) auncontactoestticoHertziano, enel readecontactohertziana aparecen zonas de deslizamiento y de no deslizamiento antes de que se detecten anivel macroscpico movimientos relativos entre los dos cuerpos. El rea de no deslizamientoes el crculo de radio ai y el rea de deslizamiento queda reducida a la corona circular definidapor los radios aH y ai, siendo:8.3Relacin entre rea de contacto y huella de desgaste( c ) En los procesos tribolgicos el rea de la huella vara con el tiempo porque depende dela cinemtica y de la carga y puede ser diferente para cada triboelemento de un tribosistemadado. Se defineunnuevoparmetrodetribocontacto, larelacinrea/ huella, queseidentificaconlaletrac. Enlafig.1.8semuestralaconfiguracindeunensayoparaunsistema disco punzn con parmetros c diferentes para cada elemento y las caractersticas queafectan a cada uno de ellos. Si para un tribosistema dado los parmetros c son distintos paralos dos triboelementos 1 y2entonces los dos triboelementos estnsujetos aaccionestribolgicas distintas con respecto a la cinemtica, esfuerzos, calor inducido por la friccin, einteracciones atmsfera/material.Como conclusin, en la investigacin de los tribosistemas se debe analizarcuidadosamente la respuesta de los triboelementos a los procesos tribolgicos. Losparmetrosdetribocontactojueganunimportantepapel alahoradedisearensayosquesimulen el comportamiento real de sistemas tribolgicos de ingeniera. Un material para unTribologa y lubricacinPgina2231221||.|

\| =tnH iFFa aIntroduccin a la tribologacierto tribosistema real slo debe ensayarse en un proceso de simulacin donde los materialesde la probeta tengan los mismos parmetros de tribocontacto.Tribologa y lubricacinPgina23Introduccin a la tribologaFig. 1.7. Contacto Hertziano entre dos cuerpos esfricosFig.1.8. Parmetro de tribocontactoc8.4Modos de lubricacinLos modos de lubricacin de los tribosistemas se determinan por los parmetrosestructurales: mdulos de Elasticidad E1 y E2, radios de curvatura r1 y r2, rugosidad superficialRa1 y Ra2, viscosidad del lubricante Z, ndice de viscosidad, coeficiente de viscosidad/presino,... y por los parmetros operacionales: carga FN, velocidad u y temperatura del aceite. Sedistinguen tres regmenes principales de lubricacin segn las curvas de Stribeckrepresentadas en la fig. 1.9 en las que se aprecia que las variaciones de los coeficientes defriccin y desgaste dependen de la combinacin de parmetros , Z y FN o de la relacin entreespesor de pelcula y rugosidad . Los diferentes regmenes de lubricacin se correspondencon rangos de valores de friccin y desgaste.- Rgimen I:Lubricacin lmite(1< 1). En este rgimen, el comportamiento tribolgicodepende de los procesos de friccin y desgaste slido/slido, influenciados por la qumicay la fsica de la interfase.Tribologa y lubricacinPgina24Introduccin a la tribologa- Rgimen II: Lubricacin mixta (1