TribologíA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emilio






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TRIBOLOGÍA: Fricción, Desgaste y Lubricación (Desgaste de los cuerpos sólidos) Álvarez García Emilio

Capítulo III

DESGASTE DE LOS CUERPOS SÓLIDOS

3.1 - INTRODUCCIÓN.

De forma general se conoce, que tanto durante el período de explotación de las máquinas, como el almacenaje, ocurren procesos que predeterminan no sólo la disminución de la capacidad de trabajo de las máquinas, sino también la pérdida total de esta cualidad.

Se reconoce que el 80 - 90 % de las piezas que se sustituyen es debido al desgaste y que las perdidas anuales causada por el desgaste en los Países desarrollados esta en el rango de 0.5 - 1 % del producto neto nacional.

En Estados Unidos de Norteamérica 15000 millones/año

En Canadá 4000 millones/año

En Cuba 400 millones/año

La aplicación consecuente de los conocimientos que brinda la Tribología, puede representar ahorro considerable en los gastos producto del desgaste; así por ejemplo en un informe realizado en Canadá en el año 1984 se plantea:

Rama de la Economía Gasto (millones) Posible ahorro

Industria Papelera 381.5 100.3

Agricultura 940 232

Transporte Ferroviario 466.8 168.5

3.2 - DEFINICION Y DINAMICA DEL DESGASTE.

Cuando una máquina entra en servicio sus distintas piezas en movimiento están sometidas, en la generalidad de los casos, a esfuerzos y solicitaciones mecánicas múltiples y combinadas.

Definición: El desgaste es un proceso complejo que se produce en las superficies de los cuerpos sólidos debido a la fric­ción de otro cuerpo o medio; trayendo por consecuencia la variación de la macro y microgeometria superficial; de la estructura; y de las propiedades de las capas superficiales; con o sin perdida de material.

Dinámica del desgaste.

La ley que define la variación de la magnitud del desgaste con el tiempo se denomina "dinámica del desgaste". El modelo mas tradicional de la dinámica del desgaste se da en la Fig.3.1



Fig. 3.1- Dinámica del desgaste. 1 - Periodo de asentamiento;

2 - Periodo de desgaste (normal); 3.- Periodo de desgaste catastrófico.

  • Periodo de Asentamiento.

Se caracteriza por una alta velocidad e intensidad del desgaste. La magnitud del desgaste en este periodo puede llegar al 30 - 50 % del desgaste permisible. Durante este periodo el contacto se produce en los picos mas altos de la rugosidad superficial generando altas presiones y deformaciones; con el transcurso del tiempo aumenta Ar y la velocidad del desgaste se hace menor.

  • Periodo de desgaste normal.

Producto de la disminución de las presiones reales, al existir una mayor área de contacto real; la velocidad del desgaste se hace constante y el desgaste sigue aumentando con un ritmo mas lento; hasta llegar al punto B (Fig. 3.1)

  • Periodo de desgaste catastrófico.

La magnitud del desgaste es tal que se genera en la unión tribológica cargas dinámicas complementarias; lo que representa aumento de la temperatura; del nivel de ruido; y de las vibraciones; este periodo se conoce como "periodo de avería"

3.3 - MECANISMOS DEL DESGASTE.

Las altas tensiones que surgen en las áreas reales de contacto y la temperatura que producto de la fricción se genera predefinen, para cualquier par tirbológico los siguientes mecanismos básicos de enlace (agarre) superficial: Mecánico, Térmico, Químico, y adhesivo (Fig.3.2).



Fig. 3.2 – Relación entre el tipo de agarre y el mecanismo de desgaste.

El mecanismo mecánico depende en primer lugar de las deformaciones elasto – plásticas que tienen lugar en las microirregularidades en contacto y de la magnitud de las tensiones térmicas. este tipo de deterioro origina diferentes niveles de defectos de la estructura y el incremento de las tensiones residuales.

Los procesos térmicos surgen como consecuencia de la acción del calor generado durante la fricción y en otros casos por fuentes externas. Este tipo de deterioro está relacionado con los cambios del estado físico de las fases de los materiales heterogéneos o de sus estructuras y define el mecanismo de desgaste.

Los procesos químicos se caracterizan por la formación de finas capas superficiales pasivas, como resultado de la interacción de las superficies con medios gaseosos o el medio circundante. Este tipo de destrucción característico para todo los regímenes de fricción y con mayor incidencia en la fricción lubricada. La capa triboquímica protege la superficies de contacto del mecanismo mecánico y al mismo tiempo frena la interacción adhesiva de las superficies de fricción.

Partiendo de la concepción de que el desgaste es el efecto de la fricción y de que esta tiene una naturaleza dual se establecen dos mecanismos básicos: ADHESIVO Y MECANICO.

Mecanismo adhesivo.- La atracción molecular (cohesión) produce una unión adhesiva (micro soldadura) de las asperezas en contacto; el movimiento relativo de los cuerpos cizalla esta unión produciendo la transferencia de un material de un cuerpo hacia otro y/o la generación de partículas de desgaste.

Como adhesión se entiende el fenómeno de formación de una fuerte unión de los metales en las áreas reales de contacto como resultado de la fricción, de los procesos de deformación mutua y para temperaturas inferiores a la de recristalización. Durante estos procesos se forman fuertes uniones en diferentes puntos en contacto.

Durante el contacto de las asperezas estas se "arrugan" y se produce el efecto mecánico de "engrane" (Fig.3.3); lo cual constituye la causa primaria de la adhesión.



Fig. 3.3 - Proceso de deformación plástica de las

asperezas.(arrugado y engrane).

La generación de calor producto de la fricción, de las deformaciones plásticas produce un incremento rápido de la temperatura en los puntos de contacto causando la "difusión" en la interfase; la cual es la causa secundaria de la adhesión; el movimiento relativo produce el cizallamiento de la unión (Fig. 3.3)

En dependencia de la resistencia al cizallamiento de la unión adhesiva y de los materiales base; la rotura de la unión se puede producir de cuatro formas diferentes:

  • Fricción por cizallamiento.- Si la unión adhesiva es menos resistente que los materiales base; el cizallamiento ocurre en la interfase (Fig.3.4).- La cantidad de material transferido es pequeña a pesar de que la fricción puede ser alta.



Fig. 3.4 - Fricción por cizallamiento. 1 y 2 material base; 3-interfase.

  • Fricción por soldadura.- La unión adhesiva es mas resistente que uno de los materiales base ( Fig.3.5 ); la destrucción ocurre en la masa del material menos resistente produciéndose la transferencia de material del cuerpo blando al cuerpo duro y la unión adhesiva más resistente que ambos materiales bases (Fig.3.5), en este caso la ruptura ocurre por los materiales ocurriendo la transferencia de material de uno al otro.



Fig. 3.5 - Proceso de cizallamiento de la unión

  • La unión adhesiva es más resistente que ambos materiales base: La ruptura de la unión ocurre fundamentalmente por la masa del material menos resistente, pero también puede ocurrir desprendimiento de partículas de la masa del material más resistente. El intenso desgaste del material más blando puede estar acompañado del desgaste del material más resistente (Fig. 3.6).



Fig. 3.6- Ruptura de la unión por ambos materiles bases.

  • La resistencia de la unión es igual a la de los materiales base: En este caso la unión esta expuesta a una adherencia que incrementa la resistencia al cizallamiento. Es por ello que muy pocas beses la ruptura ocurre por la unión. Generalmente esta tiene lugar a determinada profundidad de la masa de los metales bases.

El proceso de formación y destrucción de las capas superficiales de los pares de fricción producto del desgaste adhesivo depende de la forma constructiva de las piezas, de los materiales del par y del régimen de fricción.

Mecanismo mecánico.

El mecanismo mecánico del desgaste puede presentar las siguientes formas:

  • Fatiga superficial.- Se presenta durante el contacto elástico o plástico de las capas superficiales. Durante el movimiento de una aspereza sobre una superficie deformable se presenta un cuadro tensional complejo; aparece delante de la aspereza una zona sometida a compresión (Fig.3.7) y una zona de tracción detrás de la aspereza; trayendo por consecuencia la fatiga de las capas superficiales.



Fig. 3.7 - Estado tensional en el contacto de una aspereza.

Durante las deformaciones elásticas la fatiga de las capas superficiales se produce para un número de ciclos de interacción alto; en el caso de las deformaciones plásticas se produce la conocida "fatiga de bajo número de ciclos".

  • Microcorte - Se produce debido a una penetración profunda de las asperezas dura sobre las superficies blanda; o producto de la acción de partículas abrasivas libres prove­niente del medio (Fig..3.8). Se establece que el microcorte ocurre cuando h/R > 0.1.



Fig.3.8 - Modelo del proceso de macrocorte.

  • Deformaciones plásticas de la macrogeometria - Se produce en los casos de uniones de rozamiento sometidos a grandes cargas ( c> y ); velocidades lentas y materiales de baja dureza; en este caso solo hay variación de la macrogeometria (Fig.3.9).



Fig. 3.9 - Macroderfomaciones plásticas.

3.4 - INDICADORES DEL DESGASTE

La determinación cuantitativa del desgaste ha sido de interés para la mayoría de los tribólogos de diferentes épocas ya que ello permitiría incorporar a los cálculos de diseño el efecto de la fricción y el desgaste, sin embargo este es un problema no resuelto en la actualidad debido en lo fundamental a que sobre ambos influyen toda una serie de factores relacionados con las condiciones de explotación, la naturaleza de los cuerpos en contacto y las condiciones del medio.

Los avances alcanzados por la tribología han establecido determinados parámetros que caracterizan al desgaste. Estos parámetros se reconocen como indicadores del desgaste y permiten evaluar , estudiar, caracterizar y diagnosticar el desgaste. En dependencia del método empleado para la determinación de los valores absolutos del desgaste el mismo puede ser: Lineal(Wh), gravimétrico(Wg) o volumétrico (Wv).

El desgaste de los elementos de máquinas se produce con o sin pérdida de material, es por ello que la evaluación de la magnitud del mismo se puede cuantificar o expresar por diferentes indicadores:

Desgaste lineal (Wh, µm): Se utiliza cuando los valores absolutos del desgaste son de medianos a altos y está fundamentado en la medición de las dimensiones de las piezas antes y después del ensayo de desgaste, la exactitud de este método depende la de calidad de los medios de medición que se utilicen. Para la determinación de los valores absolutos del desgaste mediante este método se utilizan instrumentos tales como calibres interiores y exteriores, dispositivos mecánicos de palancas, dispositivos ópticos, microscópios instrumentales y universales, pasámetros, bloques planos paralelos, micrométros exteriores e interiores, indicadores de carátula etc. Conciendo el desgaste lineal se determina la intensidad lineal del desgaste (Ih ).

(3.1)

Desgaste volumétrico (Wv, mm3).: Este se fundamenta en la medición del volumen antes y después del proceso de desgaste. Es también usado con frecuencia y al igual que el indicador anterior requiere de medios de medición de alta precisión. Este generalmente se determina partiendo del indicador lineal del desgaste.

(3.2)

Desgaste gravimétrico (Wg ,mg): Este indicador generalmente se utiliza para la determinación del desgaste de piezas de pequeñas dimensiones las cuales se pesan antes y después del desgaste. Antes del pesaje las piezas deben ser lavadas y secadas eliminar partículas, polvos, los productos de desgaste, grasas y otros.

El grado de exactitud de este método depende de la exactitud de las balanzas. Este método no se recomienda en los casos en que las dimensiones de las piezas cambian no solo como resultado del desprendimiento de partículas de la superficie de los materiales sino también debido a las deformaciones plásticas, así como para la determinación del desgaste de materiales porosos bajo regímenes de fricción lubricada. La intensidad del desgaste se determina como:

(3.3)

En la práctica industrial resulta beneficioso transformar el desgaste gravimétrico (perdida de masa) desgaste lineal (variación de dimensiones). Lo anterior se basa en el hecho de que en la mayoría de los casos los pares tribológicos están formados por materiales de diferentes pesos específicos. Por consiguiente la relación entre el indicador gravimétrico y lineal del desgaste se expresa en la ecuación 4.4.

(3.4)

donde:

Wg - desgaste por diferencia de peso (mg)

An - área normal de la superficie de contacto ( cm2)

 - peso específico del material g/cm3

S- Recorrido de fricción en Km

El método de diferencia de peso no se recomienda utilizar en aquellos casos donde el desgaste no es solo como consecuencia del desprendimiento de partículas sino también a causa de deformaciones plásticas.

Intensidad energética del desgaste (Ie): La intensidad energética del desgaste se utiliza fundamentalmente para evaluar materiales de frenos, embragues, etc. Esta relaciona el desgaste volumétrico y el trabajo de fricción.

(mm3/N - m) (3.5)

Resistencia al desgaste (Wd ): Es la capacidad de un material de ofrecer resistencia al desgaste y se determina como el inverso del desgaste. A de señalarse que la misma dependerá del tipo de indicador que se haya utilizado para medir el desgaste (Wh, Wg, Wv).

(3.6)

Resistencia relativa al desgaste (Wr ): Es la relación que existe entre el desgaste de la muestra que se está ensayando y el patrón de referencia que puede ser el establecido por la norma o el tomado como referencia durante los estudios.

(3.7)

Velocidad o razón de desgaste (W'): A través de este indicador se mide el ritmo del proceso de desgaste y no es más que la relación que existe entre el desgaste y el tiempo en que este ha tenido lugar.

(3.8)

3.5 - TIPOS DE DESGASTE.

Dentro de la tribología un aspecto de extremo cuidado resulta la definición o clasificación de los diferentes tipos de desgaste por lo complejo que resulta este fenómeno y por el hecho de que en la mayoría de los casos pueden estar teniendo lugar más de un tipo de desgaste. No es posible dar una regla fija de par todas las formas de desgaste, y este es afectado por una gran diversidad de factores, entre ellos se pueden mencionar el tipo y magnitud de la carga, velocidad, cantidad y tipo de lubricante, clase de lubricación temperatura de las superficies y del volumen del volumen del material, propiedades mecánicas de los mismos (dureza, resistencia a la deformación, etc.), acabado superficial, presencia de partículas extrañas, naturaleza química del medio ambiente, la cual tendrá una importancia decisiva al variar la naturaleza de las superficies, etc., y de acuerdo con las variaciones que pueden introducir éstos y otros factores, serán más o menos acusados los efectos del desgaste producido. Normalmente, en ingeniería no se presenta un tipo de desgaste aislado. Por esta causa no es fácil, en una aplicación establecer con seguridad el tipo de desgaste que ha tenido lugar y menos aún remediarlo.

La existencia de una o mas forma de los mecanismos de desgaste explicados da lugar a diferentes tipos de desgaste en los elementos de máquinas; en este sentido se puede plantear que aun no existe una forma única de designación y clasificación de los tipos de desgaste; por lo que en esta conferencia se trataran los tipos fundamentales y mas generales.

Hasta el momento no se han definido los factores a partir de los cuales se puede clasificar el desgaste y como es natural no se ha creado una clasificación única del desgaste.

De manera general resulta perspectivo considerar tres etapas fundamentales que consideran la composición de las capas superficiales y permiten evaluar los materiales del par (Tabla 3.1).

Las etapas 1 y 2 se relacionan entre si por el tipo de capa que se forma y la 2 y la 3 por el tipo de partícula de desgaste que se origina.

Una determinada superposición de los mecanismos de enlaces de fricción predetermina el tipo de deterioro superficial y al mismo tiempo el mecanismos de desgaste predominante en el par tribológico.
Tabla 3.1 – Clasificación de los tipos de deterioros superficiales y el desgaste.

ETAPA I

ETAPA II

ETAPA III

Tipo de agarre superficial

Tipo de deterioro superficial

Mecanismo de desgaste superficial

MECANICO (M)

CIZALLAMIENTO

ABRASIVO

TERMICO (T)

DEFORMACIONAL

FATIGA SUPERFICIAL

QUIMICO (Q)

ADHESIVO

ADHESIVO

ABSORCION (Ab)

TRIBOQUÍMICO

MECÁNICO – CORROSIVO

Este tipo de clasificación permite considerar todos los procesos que intervienen en la formación de la fina capa de fricción y por consiguiente la variación de sus propiedades. Esto da la posibilidad de evaluar de manera concreta la capacidad de trabajo de los pares tribológicos y tal como será demostrado en lo posterior de obtener modelos de cálculos confiables que posibilitan determinar su durabilidad.

La incidencia de cada tipo de desgaste en la industria según estudios realizados por Eyre es la siguiente:

Desgaste abrasivo. 50 %

Desgaste adhesivo. 15 %

Desgaste mecánico - corrosivo. 5 %

Desgaste erosivo. 8 %

Desgaste por oxidación dinámica. 8 %

Desgaste por fatiga y otros tipos. 14 %

Es necesario aclarar que en la practica pueden coexistir dos o mas tipos de desgaste y que en determinados momentos uno se puede transformar en otro.

DESGASTE ADHESIVO. La dinámica de este tipo de desgaste se define por una serie de factores físicos y estructurales. En calidad de uno de estos factores está la capacidad de los materiales de fricción de formar soluciones duras. Está claro que los materiales base Titanio y el Níquel tienen características negativas durante su interacción con las aleaciones base cobre y cromo, lo cual esta relacionado con su solubilidad mutua. Desde el punto de vista ideal es necesario tratar de seleccionar para pares de fricción materiales bases con diferentes estructuras, propiedades químicas y solubilidad.

Durante la fricción por deslizamiento el desgaste adhesivo puede tener un comportamiento acorde a cualquiera de las tres curvas representadas en la figura 3.10.



Fig. 3.10 - Dinámica de la velocidad del desgaste adhesivo.

Durante el desgaste de tipo 1 (ver figura 3.10) se tienen durante todo el periodo de explotación un alto nivel de desgaste (desgaste severo). Para esta forma de desgaste no aparecen en la superficies de los elementos de la unión, ni de las partículas de desgaste capas de óxidos. Durante el desgaste de tipo 3 se observa un bajo nivel de desgaste durante todo el periodo de tiempo de trabajo del par. En este caso las superficies de los cuerpos sometidos a fricción y las partículas de desgaste no son más que óxidos y estas últimas tienen un tamaño muy inferior al de las que se obtienen durante el desgaste de tipo 1. Durante la primera etapa el desgaste del tipo 2 es severo y las superficies de fricción no se oxidan. En las etapas posteriores la fricción genera capas superficiales triboquímicas y la velocidad de desgaste disminuye considerablemente.

La naturaleza del desgaste hace que el desgaste adhesivo este siempre presente en mayor o menor grado en las uniones de rozamiento. En la practica de ingeniería se conoce también con los nombres de: desgaste por frotamiento; rayado adhesivo; gripado; agarrotamiento; agripamiento; tales denominaciones se deben a la intensidad del desgaste, estados de las superficies desgastadas y tipos de elementos de máquina.

El desgaste adhesivo esta presente en los siguientes elementos de máquinas: cojinetes de deslizamiento; transmisiones por engranes y tornillo sin-fin; guías de deslizamiento; levas; grupos piston-aro-cilindro; etc. Los factores que definen el desgaste adhesivo son:

  1. Condiciones de lubricación (seco o lubricado); abastecimiento de lubricante; calidad del lubricante.

  2. Compatibilidad metalúrgica (solubilidad mutua) de los materiales de la unión tribológica.

  • Microgeométria superficial.

  1. Condiciones de trabajo: carga, velocidad y temperatura.

  2. Tipos de desgaste adhesivo.

  • Desgaste adhesivo por pulido o de fricción por cizallamiento.- Se produce cuando la unión adhesiva falla por la interfase no produciendose prácticamente transferencia de metal y la superficie desgastada aparece pulida. Se presenta en materiales de alto grado de incompatibilidad metalúrgica (k = 10-6 ÷ 10-8).

  • Desgaste adhesivo superficial- Es característico de pares metálicos con poca compatibilidad metalúrgica sometidos a altas velocidades de deslizamiento (aceros V = 3 - 4 m/s); grandes presiones de contacto y altas temperaturas superficiales (T = 1500 °C). Se produce durante la fricción seca en superficies contaminadas (capas de óxido) y durante la lubricación límite, en este caso son necesarios altas presiones que destruyen la película límite (carga crítica del lubricante).

El desgaste adhesivo superficial se caracteriza por presentar una superficie con rayas o surcos pocos profundos en dirección del movimiento (Fig.3.11); con los siguientes parámetros.



Fig. 3.11 - Modelo físico de la superficie

desgastada durante el gripado.

Profundidad de la capa destruida: h 100 µm.

Tamaño de la partícula de desgaste d = 2 - 20 µm

Razón de desgaste. W'= 1 - 5 µm/h

Coeficiente de desgaste k = 10-4 - 10-6

Densidad de energía aparente e* = 106-103 N-m/ mm3

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

Tensión de rotura de la unión tn = 103-10-2 Mpa

  • Desgaste adhesivo profundo - La ausencia de capa de óxido superficial, superficies pobremente lubricadas; la existencias de superficies no contaminadas; la igualdad de la microgeometria superficial y de composición química; la compatibilidad metalúrgica; las velocidades lentas (aceros V<1m/s); las altas presiones que superan el límite de fluencia (deformaciones plásticas) son los factores que propician el surgimiento del desgaste adhesivo profundo o atrancamiento.

Este desgaste se caracteriza por presentar una superficies desgastada con surcos profundos (Fig.3.12) con los siguientes parámetros:



Fig. 3.12 - Modelo físico de la

superficie del desgaste profundo.

Profundidad de la capa destruida. h 500 µm.

Tamaño de la partícula de desgaste d = 20 - 200 µm

Razón de desgaste W' = 5 - 15 µm/h.

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

Densidad de energía aparente e* = 104-101N-m/ mm3

Intensidad lineal del desgaste Ih = 10-7 - 10-3

Tensión de rotura de la unión tn = 103 - 102 Mpa

Un aspecto importante a considerar durante el análisis del desgaste adhesivo es el relacionado con los materiales de la unión tribológica. En este sentido se debe evitar en la medida que sea posible la alta compatibilidad metalúrgica de los materiales. Por ejemplo: Par hierro fundido perlítico - hierro fundido perlítico se consideran materiales de alta compatibilidad, contaminado, y pobremente lubricado ya que el grafito contenido en el hierro fundido actúa como un lubricante sólido. Los pares bronce – acero duro, babbit - acero se consideran materiales con una cierta tendencia a la adhesión. El par aleaciones de aluminio – hierro fundido se consideran materiales semicompatibles y con lubricación deficiente, aún cuando trabajen en condiciones de fricción seca . El par bronce al plomo – acero al carbono se considera como materiales con baja tendencia la adhesión. EL par acero blando – acero blando se considera de alta tendencia a la adhesión. El par acero templado – acero templado en la práctica se comporta como materiales semicompatibles.
DESGASTE ABRASIVO: Este tipo de desgaste no es más que el corte o rayado de las superficies de fricción debido a la acción de partículas duras. Su nivel de intensidad define la capacidad de trabajo del par de fricción.

La utilización de materiales de elevada resistencia, donde el mecanismo fundamental de desgaste resulta la fatiga superficial, a de suponerse que la rotura tendrá lugar a un elevado número de ciclos, si las tensiones de contacto no alcanzan el valor crítico. Entonces el número de ciclos para la rotura será tan alto cuanto menor sea la relación entre las tensiones de contacto y la crítica.

El análisis del mecanismo de desgaste abrasivo muestra que en la mayoría de los casos el desprendimiento de partículas puede mezclarse con el efecto de la fatiga superficial. En este caso la profundidad de la capa desgastada (Wh) depende de la presión de contacto y el recorrido de fricción.

(3.9)

El problema fundamental durante la determinación de la intensidad del desgaste abrasivo radica en la definición de sobre la base de cual propiedad determinar el factor límite de fluencia (y). Jruchov M. M. recomendó en calidad de esta propiedad la microdureza. Con posterioridad se demostró que esta solución no presentaba un carácter universal y era necesario, en casos concretos considerar la estructura del material desgastado. Como segundo criterio se recomendó el modulo de elasticidad, pero al comprobar su universalidad se demostró que no era suficiente, en primer lugar porque este no es sensible a los cambios estructurales durante el desgaste de las capas superficiales activas.

Durante el estudio del desgaste abrasivo se debe considerar el efecto de rayado de las partículas abrasivas en los materiales de fricción. Está definido que la profundidad de penetración y la cantidad de partículas disminuye con el incremento de la dureza de los materiales del par, lo que ejerce sobre el desgaste del contra cuerpo un efecto contrario. La ley general plantea que existe una dureza optima para el material más blando, valor por debajo del cual comienza a tener lugar un incremento de la intensidad del desgaste del contracuerpo debido a la magnitud de esta dureza y superior a ella, una disminución.

Varios son los factores que de una forma u otra tienen una marcada influencia sobre la intensidad del desgaste abrasivo. Dentro de estos uno muy importante resulta el tamaño de las partículas abrasivas duras. Existe un determinado diámetro de la partícula por encima del cual el desgaste permanece invariable (Fig. 3.13; 1- acero; 2- Bronce).



Fig. 3.13 – Influencia del tamaño de

partícula sobre el desgaste abrasivo.

A pesar de que no ha quedado del todo demostrado cual es el tamaño de partícula crítico, se puede decir con una determinada precisión que el tamaño de las partículas abrasivas no debe sobrepasar los 0.2 mm.

Otro de los factores que tiene una marcada influencia sobre la resistencia al desgaste abrasivo es la relación entre la dureza de los materiales y la de la partícula abrasiva (Fig. 3.14).



Fig. 3.14 – Relación entre la resistencia al desgaste

y la relación de dureza del material y el abrasivo.

En la figura 3.14 la región 1 representa la zona de desgaste intensivo y la 2 la zona de disminución de la intensidad del desgaste abrasivo. Para esta dependencia la resistencia al desgaste paulatinamente incrementa si la dureza de la superficie sometida a la interacción con el abrasivo es superior como mínimo a la mitad de la del abrasivo.

La intensidad del desgaste abrasivo también se ve afectada por la velocidad de deslizamiento, sobre todo si las condiciones de fricción no cambian el mecanismo de desgaste.

Los sistemas de desgaste con la existencia de material abrasivo pueden estar dado de varias formas, lo que lo hace convertirse en un par de fricción no clásico. El desgaste abrasivo está definido por dos mecanismos básicos:

Mecanismo de microcorte - Si la penetración de la aspereza o partícula abrasiva sobre pasa cierto valor crítico; si la dureza de las partículas abrasivas es superior a la del material y si se sobrepasa el límite de rotura del material se produce el microcorte de las capas superficiales; generando partículas de desgaste (Fig.3.15).



Fig. 3.15 - Mecanismo de microcorte.

h/R > 0.1c > rot Ha > Hm (3.10)

  • Mecanismo de deformación plástica (macrodeformación).- Si las tensiones de contacto son inferiores al límite de rotura; si el grado de penetración esta por debajo del valor crítico se produce las deformaciones plásticas trayendo por consecuencia el rayado o raspado de las superficies en dirección arbitraria; no se genera partículas de desgaste (Fig.3.16).



Fig. 3.16 - Mecanismo del rayado abrasivo

h/R  0.1 y < c < rot (3.11)

Tipos de desgaste abrasivo

En dependencia del elemento abrasivo; su grado de libertad; el tipo de unión de rozamiento;la relación de dureza abrasivo-material; etc se presentan diferentes tipos de desgaste abrasivo.

  • Desgaste contacto - abrasivo por microcorte

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

(3.12)

Se caracteriza por la generación de partículas de desgaste en forma de limallas o virutas. (Fig.3.16)

k = 2*10-1 - 10-3.

Ih = 10-7 - 10-2.

e* = 103 - 10 N-m/mm3.

tn = 103 - 10-2 MPa.

  • Desgaste contaminante - abrasivo por deformaciones plásticas

Se produce cuando h/R no cumple la relación establecida en la expresión (3.12).

Se caracteriza por el rayado de la superficie, sin desprendimiento de partículas de desgaste (Fig.3.16).

En este caso:

Ih = 10-9 - 10-4;

e* = 105 - 10² N-m/mm3;

tn= 103 - 10-2 Mpa

  • Desgaste en masa abrasiva forma mecánico-química.

El desgaste en masa abrasiva es característico de máquinas u equipos de la agricultura; de la industria de materiales de la construcción; de equipos de la construcción civil.

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

Hm/Ha > 0.6 (3.13)

Durante esta forma se producen deformaciones plásticas, oxidación de las capas deformadas y destrucción de las mismas.

Los parámetros que identifican esta forma son:

- Profundidad de la capa destruida h 0.2 mm

- Velocidad de desgaste W' < 0.5 µm/h

-Densid. de energía aparente e* = 106-105 N-M/mm3

  • Desgaste en masa abrasiva forma mecánica

Se caracteriza por la penetración de la partícula abrasiva en la superficie del cuerpo; pudiendo presentarse los dos mecanismos de desgaste abrasivo.

Se produce cuando Hm/Ha < 0.6 y se identifica con los siguientes parámetros:

-

Profundidad de la capa desgastada h 20 mm.

- Velocidad del desgaste. W' = 0.5 - 50 µm/h

- Dens. de energía aparente e* = 10² - 10 N-m/mm3

  • Desgaste abrasivo de tres cuerpos.

Es propio del desgaste de uniones de rozamiento en las cuales ha penetrado partículas abrasivas procedentes del medio o cuando las partículas de desgaste no tienen posibilidad de salir de la unión. Se conoce también como "abrasión de alta presión".

Se ha establecido que la resistencia al desgaste abrasivo de tres cuerpos es:

WD = M _ (H1 + H2) (3.14)

Si se varia la dureza de uno de los materiales (H1 ó H2) de la unión de rozamiento varia la WD; los mayores desgaste se producen cuando H1  H2.

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

k = 7×10-3 - 5*10-4 = alta concentración de partículas.

k = 5×10-4 - 10-5 = baja concentración de partículas.
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