TRIBOLOGÍA - LA CIENCIA DE LA FRICCIÓN Y EL DESGASTE

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1 TRIBOLOGÍA - LA CIENCIA DE LA FRICCIÓN Y EL DESGASTE Josep A. Picas Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica Centro de Diseño de Aleaciones Ligeras y Tratamientos de Superficie (CDAL) Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)

2 ÍNDICE Tribología: Fricción y Desgaste Principales mecanismos de desgaste Ensayos tribológicos y normativa Estrategias para reducir el desgaste

3 DEFINICIÓN La palabra Tribología se deriva del termino griego tribos, el cual se puede entender como fricción o rozamiento", así que la traducción literal de la palabra podría ser: "la ciencia de la fricción o el rozamiento". Tribología: fricción y desgaste El concepto de tribología fue usado por primera vez en un informe elaborado por la Comisión del Ministerio de Educación y Ciencia de Gran Bretaña, en el año 1966, definiéndola como: la ciencia y la tecnología que estudia las superficies que están en contacto y movimiento relativo, así como los fenómenos que de ello se derivan.

4 Las propiedades tribológicas comprenden dos fenómenos: FRICCIÓN La fricción es la fuerza que se opone al movimiento relativo entre dos superficies sólidas. Tribología: fricción y desgaste DESGASTE El desgaste se puede definir como el proceso de eliminación de material de una o de las dos superficies sólidas que están en contacto, producido cuando están sometidas a un movimiento relativo.

5 FRICCIÓN La fricción: es buena o mala? Tribología Tribología: fricción y desgaste Problemas relacionados con la fricción: Perdida de energía debida a la generación de calor por fricción. Reducción de la durabilidad del material debido a procesos de desgaste. Pérdida de funcionalidad y/o molestias debidas al ruido. Grandes sumas de dinero se pierden a causa de la fricción y el desgaste. Beneficios relacionados con la fricción: En algunos casos la fricción es necesaria para la funcionalidad de los materiales (tornillos, frenos, embragues, neumáticos, etc.) La fricción permite hacer música (instrumentos de arco) La fricción se requiere para algunas aplicaciones.

6 Tipos de fricción Fricción estática (Static Friction) Se produce entre dos superficies que no se mueven. Las fuerzas de fricción estática son consecuencia de la interconexión entre las irregularidades de dos superficies sólidas en contacto que evita cualquier movimiento relativo hasta Tribología: Fricción y desgaste un límite a partir del cual se inicia el movimiento. Fricción cinética (F. de deslizamiento, F. dinámica) (Sliding friction) Se produce cuando dos superficies sólidas se deslizan una sobre la otra. Fricción de rodadura (Rolling friction) Se produce cuando un cuerpo gira sobre una superficie, la fuerza de resistencia al movimiento se denomina fricción de rodadura. Fricción estática > Fricción cinética > Fricción de rodadura

7 : Fricción y desgaste Tribología Coeficiente de fricción La fricción dinámica se produce cuando existe un movimiento relativo entre dos piezas en contacto bajo la aplicación de una carga que las mantiene en contacto. La fuerza de fricción se opone al movimiento entre las dos piezas y consecuentemente, un esfuerzo de cizalla actúa sobre la entercara de contacto. El grado de fricción se expresa mediante el coeficiente de fricción µ:

8 Parámetros que influyen en la fricción Materiales en contacto Lubricación Tribología: Fricción y desgaste Tipos de materiales Parámetros superficiales Reactividad química Elasticidad, dureza Etc... Condiciones ambientales Temperatura Humedad Etc... Sistema Tribológico Composición química Viscosidad Estabilidad Etc... Factores del sistema: Velocidad relativa Dirección del movimiento : unidireccional bi-, multidireccional Carga aplicada

9 Coeficiente de fricción El coeficiente de fricción NO depende del área de contacto (objetos grandes o pequeños del mismo par de materiales y la misma carga de contacto producen el mismo coeficiente de fricción). Para una misma carga de contacto, el coeficiente de fricción depende del par de materiales en Tribología: Fricción y desgaste contacto, por ejemplo, el acero sobre hielo tiene un bajo coeficiente de fricción, mientras que el caucho sobre el pavimento tiene un elevado coeficiente de fricción. El coeficiente de fricción es un valor empírico que debe ser medido experimentalmente (no puede obtenerse a través de cálculos). Material / acero Coeficiente de fricción Aluminio 0,61 Cobre 0,53 Latón 0,51 Acero 0,80 (seco) 0,16 (lubricado) Polietileno 0,20 PTFE (teflón) 0,04 Hielo 0,02

10 Coeficiente de fricción Efecto de la temperatura: un cable de cobre deslizándose sobre una placa de cobre gruesa puede oscilar entre un valor de μ del orden de 0,6 a bajas velocidades, a valores inferiores a 0,2 a altas velocidades, cuando la superficie del cobre empieza Tribología: Fricción y desgaste fundirse a causa del aumento de la temperatura por fricción. flashe o Catenaria/pantógrafo

11 DESGASTE El desgaste es el proceso de eliminación de material de una o ambas de las dos superficies sólidas en contacto, que se produce cuando estas dos superficies están en un movimiento relativo de deslizamiento o rodadura. Tribología: Fricción y desgaste Bhushan and Gupta El desgaste es el daño progresivo, que implica la pérdida de material, que se produce en la superficie de un componente como resultado de su movimiento relativo con las piezas adyacentes con las que está en contacto. John Williams

12 Mecanismos de desgaste Principales mecanismos de desgaste Desgaste adhesivo Desgaste abrasivo Desgaste erosivo Desgaste por fatiga superficial Desgaste por corrosión Desgaste por cavitación

13 Principales mecanismos de desgaste Desgaste adhesivo El desgaste adhesivo es el que se produce en el contacto entre dos superficies en deslizamiento. Este mecanismo es consecuencia de que las dos superficies presentan una cierta rugosidad, y lo que realmente está en contacto son los picos de la rugosidad (asperezas), lo cual comporta que el área real de contacto sea mucho menor que la nominal o aparente. La rugosidad superficial confina el contacto entre solidos a una mínima fracción del área de contacto, la cual será la que soporte la totalidad de la carga aplicada (el área real de contacto puede ser del orden de 10-2 y 10-5 veces el área aparente).

14 Desgaste adhesivo Tribología Por consiguiente la carga existente entre ambas superficies es transferida a los puntos de contacto, ocasionando una elevada presión local que comporta la formación de Principales mecanismos de desgaste uniones entre las superficies (soldaduras frías). La formación de estas micro-soldaduras entre ambas superficies y el movimiento relativo entre ellas lleva al desgaste del material de menor dureza.

15 Desgaste adhesivo Principales mecanismos de desgaste A presiones de contacto muy elevadas, el área real de contacto se irá igualando al área nominal, pudiéndose producir el denominado proceso de gripaje, quedando el movimiento entre las dos superficies completamente bloqueado.

16 Desgaste adhesivo Principales mecanismos de desgaste Compatibilidad en aumento, por tanto razón de desgaste en aumento

17 Desgaste adhesivo Principales mecanismos de desgaste Desgaste adhesivo en la superficie del material

18 Desgaste adhesivo: Oxidación Tribología A altas velocidades de deslizamiento, el calor producido en el proceso de fricción aumentará la temperatura superficial, pudiendo provocar la oxidación superficial del material. Esta película de oxido puede formarse y desprenderse, o llegar a formar una Principales mecanismos de desgaste capa continua de elevada dureza, que comportará una disminución del desgaste. Desgaste adhesivo: Fusión A velocidades y presiones elevadas el aumento de la temperatura en la interface puede comportar la formación de una capa de metal líquido entre las dos superficies, que actuará como medio lubricante. Si bien este mecanismo implicará una disminución del coeficiente de fricción, la fusión de la superficie de uno de los materiales dará lugar a un incremento significativo de la velocidad de desgaste.

19 Principales mecanismos de desgaste Tribología

20 Desgaste abrasivo Tribología El desgaste abrasivo es el que se produce por la presencia de partículas sólidas de elevada dureza atrapadas entre las dos superficies en contacto. Principales mecanismos de desgaste Estas partículas normalmente son arrancadas por el efecto de la rugosidad del material más duro contra el más blando, o bien por el desprendimiento de partículas duras en los materiales reforzados. El mecanismo de desgaste abrasivo puede ser de dos tipos: Desgaste abrasivo de dos cuerpos Desgaste abrasivo de tres cuerpos

21 Desgaste abrasivo de dos cuerpos Este mecanismo se produce cuando un material de elevada dureza se desliza sobre un material más blando. La rugosidad del material más duro penetra Principales mecanismos de desgaste en la superficie del más blando arrancando partículas de material.

22 Desgaste abrasivo de tres cuerpos El mecanismo anterior de dos cuerpos normalmente cambia a un mecanismo de tres cuerpos cuando las partículas arrancadas actúan como Principales mecanismos de desgaste partículas abrasivas entre les dos superficies. Además, estas partículas pueden oxidarse ganando dureza y aumentando su carácter abrasivo. Por otra parte, puede haber la incorporación de partículas externas, como polvos o suciedad presente en el ambiente.

23 Principales mecanismos de desgaste Tribología Desgaste abrasivo

24 Desgaste erosivo El desgaste erosivo se produce cuando partículas duras (inmersas en un gas o en un líquido) golpean la superficie de un material más blando. Principales mecanismos de desgaste Desgaste erosivo sobre un material dúctil Variables: Velocidad. Desgaste erosivo sobre un material frágil Ángulo de incidencia. Concentración, forma y dureza.

25 Desgaste erosivo El desgaste erosivo es el mecanismo típico que se produce en: Tuberías, turbinas hidráulicas y asientos de válvulas que están en contacto Principales mecanismos de desgaste con el agua de los ríos con sólidos en suspensión. Rodetes y carcasas de bombas centrífugas de fluidos abrasivos. Ventiladores y válvulas que mueven gases con partículas sólidas en suspensión. Palas de los helicópteros y álabes de los turbo-reactores de los aviones por la arena suspendida en el aire. Calderas de centrales térmicas, donde cenizas y el propio carbón, en forma de polvo, impacta sobre las superficies interiores.

26 Principales mecanismos de desgaste Tribología Desgaste erosivo

27 Desgaste por fatiga superficial Este mecanismo se produce en aquellos procesos de fricción en que las cargas son cíclicas. Al principio no hay desgaste, la energía aplicada se invierte en la nucleación Principales mecanismos de desgaste de grietas. Posteriormente hay un crecimiento y coalescencia de las grietas paralelas a la superficie hasta que llevan al desprendimiento del material ( Pitting o macropitting ).

28 Principales mecanismos de desgaste Tribología Desgaste por fatiga superficial Este mecanismo es típico en rodamientos, engranajes, levas o ruedas de metal que giran sobre rieles, en los cuales se generan esfuerzos de contacto cíclicos pulsatorios.

29 Principales mecanismos de desgaste Tribología Desgaste por fatiga superficial

30 Desgaste por corrosión o tribocorrosión Principales mecanismos de desgaste El desgaste o deterioro por corrosión es causado por el ataque químico o electroquímico a la superficie, normalmente provocado por la presencia de ingredientes activos en el ambiente o en el líquido lubricante: ácidos, humedad, etc. El ataque corrosivo habitualmente se produce a través de las fronteras de grano de la microestructura causando pequeñas picaduras más o menos uniformes en la superficie del material.

31 Desgaste por cavitación El desgaste por cavitación consiste en la formación de burbujas de gas en el seno de un líquido cuando pasa por zonas donde la presión de este es inferior a su presión de vapor. La corriente arrastra las burbujas hasta una zona de presión más alta, donde se vuelven inestables y se Principales mecanismos de desgaste colapsan implosionando en o cerca de la superficie (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, aplastándose bruscamente las burbujas). Este fenómeno produce una estela de gas y las ondas de presión golpean la superficie provocando esfuerzos locales que pueden ocasionar deformación y erosión del material.

32 Desgaste por cavitación El desgaste por cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se producen cambios bruscos de la velocidad del líquido. Ejemplos: Principales mecanismos de desgaste En partes móviles En partes no móviles Àlabes de turbinas Estrangulamientos bruscos Rodetes de bombas Regulación mediante orificios Hélicesde barcos En válvulas reguladoras

33 Ensayos Tribológicos y Normativa Dado que el desgaste de los materiales es uno de los principales problemas en la industria, existe la necesidad de realizar ensayos de laboratorio para Ensayos Tribológicos y Normativa evaluar el comportamiento frente al desgaste de los materiales para poder predecir su respuesta y anticiparse a los posibles fallos, así como programar tareas de mantenimiento que eviten problemas mayores. No obstante, en muchos casos los resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio no pueden ser extrapolados directamente a las condiciones reales de servicio, si no que únicamente sirven para realizar un estudio comparativo de los materiales objeto de estudio.

34 Ensayos Tribológicos y Normativa Tribología Los ensayos tribológicos intentan reproducir las condiciones reales en que tendrá que trabajar un componente, si bien es casi imposible simular totalmente las condiciones de servicio en un laboratorio.

35 Normativas para ensayos tribológicos Dado que existen numerosas condiciones de trabajo y ensayos de laboratorio, hay muchas normas diferentes publicadas por diversos organismos públicos y privados: Ensayos Tribológicos y Normativa ASTM: American Society for Testing Materials (USA). DIN: Deutsches Institut für Normung (Instituto Alemán de Normalización). ISO: International Organization for Standardization (Suiza). BS: British Standards (Reino Unido). Otras: IP (IP Test Methods: petroleo y productos relacionados; Gran Bretaña); MIL-STD (United States Military Standard); NPT (National Pipe Thread; USA); SIS (Swedish Standards Institute),

36 Normativas para ensayos tribológicos Ensayos Tribológicos y Normativa Norma ASTM B ASTM D (2015) ASTM D (2016) ASTM G65-16 ASTM G76-13 ASTM G77-05 (2010) ASTM G99 05 (2016) ASTM G ASTM G (2016) ASTM G Titulo Standard Test Method for Determining the High Stress Abrasion Resistance of Hard Materials Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Grease (Four-Ball Method) Standard Test Method for Measuring Wear Properties of Fluid Lubricants (Falex Pin and Vee Block Method) Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus Standard Test Method for Conducting Erosion Tests by Solid Particle Impingement Using Gas Jets Standard Test Method for Ranking Resistance of Materials to Sliding Wear Using Block-on- Ring Wear Test Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus Standard Test Method for Conducting Wet Sand/Rubber Wheel Abrasion Tests Standard Test Method for Linearly Reciprocating Ball-on-Flat Sliding Wear Standard Test Method for Conducting Friction Tests of Piston Ring and Cylinder Liner Materials Under Lubricated Conditions

37 Normativas para ensayos tribológicos Norma BS EN :2007 BS EN :2010 Titulo Advanced technical ceramics. Methods of test for ceramic coatings. Determination of the abrasion resistance of coatings by a micro-abrasion wear test. Advanced technical ceramics. Methods of test for ceramic coatings. Reciprocating wear test Ensayos Tribológicos y Normativa DIN 50324: Tribology; testing of friction and wear model test for sliding friction of solids (ball-on-disc system) (2014) DIN Parts 1-5 Testing Lubricants: Testing in the Shell Four-Ball Tester (2015). IP 239 Determination of extreme pressure and anti-wear properties of lubricating fluids and greases - Four ball method. IP 300 Rolling Contact Fatigue Tests for Fluids in a Modified Four Ball Machine. ISO :2012 Plain bearings -- Testing of the tribological behavior of bearing materials -- Part 1: testing of bearing metals;. ISO :2012 Plain bearings -- Testing of the tribological behavior of bearing materials - Part 2: Testing of polymer-based bearing materials.

38 Ensayo Pin-on-Disc (Normas ASTM G99 DIN 50324) Este ensayo intenta reproducir el proceso de deslizamiento unidireccional. El equipo mide la fuerza de fricción que experimenta un pin, normalmente esférico, sometido a una determinada carga, Ensayos Tribológicos y Normativa aplicada sobre un disco que gira a una velocidad lineal constante. Carga aplicada Muestra (disco)

39 Ensayo Pin-on-disc: variables del ensayo Carga aplicada (N) 2, 5, 10, 20, 30, 40,50 Velocidad lineal (cm/s) 5, 10, Ensayos Tribológicos y Normativa R = radio del canal de desgaste r = radio del pin esférico F = fuerza normal aplicada sobre el pin w = velocidad angular de rotación del disco Distancia de deslizamiento de m hasta km Humedad relativa 30% hasta 100% Ensayo en seco o con Aceites lubricantes, agua, etc. lubricación Temperatura Temperatura ambiente Alta temperatura ( ºC) Diámetro del Pin 6 mm Dimensiones máximas del disco 60 mm de diámetro 15 mm de altura

40 Ensayo Pin-on-disc: resultados Tribología El ensayo permite obtener una gráfica que indica como evoluciona el coeficiente de fricción Ensayos Tribológicos y Normativa durante el ensayo: Coeficiente de fricción MoS 2 /Titanio Número de vueltas La velocidad de desgaste se calcula evaluando la cantidad de material eliminado (en peso o en volumen). No obstante, debe tenerse en cuenta que se puede producir el desgaste tanto del pin (a), como del disco (b) o bien de ambos (c). (a) (b) (c)

41 Ensayos Tribológicos y Normativa Ensayo Pin-on-disc: resultados Tribología Para calcular la cantidad de material eliminado (volumen) del disco, se determina el área del canal de desgaste mediante un rugosímetro-perfilómetro o bien con un perfilómetro óptico 3D o un microscopio confocal. Otro método utilizado es determinar el desgaste a partir de la pérdida de peso.

42 Ensayo Pin-on-disc: resultados Tribología Desgaste del disco: 3 Velocidadde desgaste ( m ) = m volumen eliminado distancia (m) 3 (m ) = [2 π R(m)][área del canal de desgaste distancia (m) 2 (m )] Ensayos Tribológicos y Normativa Velocidadespecífica de Desgaste del pin esférico: 3 3 volumen eliminado (m ) desgaste ( m ) = m N distancia (m) carga (N) m volumen eliminado (m ) [ π h/6 (m)][3d /4 + h Velocidad de desgaste ( ) = = m distancia (m) distancia (m) r d h h = r - (r 2 d 2 /4) 1/2 2 (m )]

43 Reciprocating Test (Normas ASTM G133 DIN 51834) En este ensayo se produce un movimiento lineal alternativo, con la finalidad de simular el contacto entre materiales sometidos a un movimiento alternativo periódico (Ej.: contacto entre un segmento de pistón y la Ensayos Tribológicos y Normativa camisa). En este ensayo se aplica una carga sobre el pin, pero a diferencia del ensayo Pin-on-disc, la velocidad de deslizamiento no es constante, siendo máxima en el centro del canal de desgaste y mínima en los extremos. Las variables del ensayo son similares al ensayo Pin-on-disc: carga aplicada, humedad, lubricación, velocidad máxima, temperatura, distancia, etc. F (N)

44 Reciprocating Test: resultados Para calcular la cantidad de material eliminado (volumen), se determina el área del canal de desgaste mediante un rugosímetro - perfilómetro o con un perfilómetro óptico 3D. Ensayos Tribológicos y Normativa V = A. L A = valor medio del área determinada en diferentes puntos del canal de desgaste L = longitud del canal de desgaste

45 Ensayo de desgaste abrasivo (Normas ASTM G65 ASTM G105 ASTM B611) Este ensayo simula el desgaste de materiales por medio de partículas Ensayos Tribológicos y Normativa abrasivas de tamaño controlado, en condiciones de bajo esfuerzo y de abrasión por tres cuerpos. El desgaste de la probeta se determina por diferencia de peso, según la ecuación: Perdida de peso (g) = ( masa inicial - masa final) diámetroinicial diámetro final La resistencia al desgaste se evalúa pasando la pérdida de peso a volumen y dividiendo el volumen (mm 3 ) por la distancia recorrida por el disco en el ensayo (m).

46 Ensayo de desgaste abrasivo El equipo consta principalmente: Una tolva y una boquilla para el paso del material abrasivo. Tribología Ensayos Tribológicos y Normativa Una rueda de acero recubierta con caucho vulcanizado (228 mm de diámetro). Un motor con un contador de revoluciones (100 a 6000 rpm). Un porta-probeta. Entre el disco y la probeta se mantiene un flujo laminar y constante de abrasivo ( g/min). La probeta a ensayar es presionada por medio de una palanca con una fuerza constante y definida ( N). La dirección de rotación del disco tendrá el mismo sentido que el flujo de material abrasivo.

47 Ensayos Tribológicos y Normativa Ensayo de desgaste erosivo (Norma ASTM G76) Este ensayo comporta el impacto repetido de partículas erosivas propulsadas por aire comprimido hacia la superficie de una probeta. La velocidad de desgaste se determina a partir de la pérdida de masa en función del tiempo del ensayo. Variables del ensayo Velocidad de impacto de las partículas. Flujo de partículas. Dureza de las partículas. Tamaño y morfología de las partículas (normalmente se usan partículas angulosas de alúmina). Ángulo de impacto de las partículas (de 15 o a 90 o ). Distancia. Temperatura.

48 Estrategias para reducir el desgaste El desgaste no ocasiona fallas violentas, pero genera consecuencias funcionales, tales como: Reducción de la eficiencia y el rendimiento. Estrategias para reducir el desgaste Pérdidas de potencia y la generación de calor en los componentes, debido al aumento del coeficiente de fricción. Mayor consumo de energía. Incremento del consumo de lubricantes. Aumento del tiempo de paradas improductivas para reparaciones y reemplazo de los componentes desgastados. Aumento del coste de producción ya que se incrementa el coste de los equipos. Aumento del stock de piezas de recambio.

49 Estrategias para reducir el desgaste Para afrontar el problema de desgaste de un componente, básicamente se pueden emplear dos estrategias: Estrategias para reducir el desgaste Conseguir una reducción del coeficiente de fricción mediante la utilización de un medio lubricante (Líquido o sólido). Modificar las propiedades mecánicas superficiales del componente, principalmente mediante un aumento de su dureza (tratamientos superficiales o recubrimientos), si bien vigilando su tenacidad.

50 Reducción del coeficiente de fricción Uso de un medio lubricante Estrategias para reducir el desgaste Lubricantes líquidos: Aceites sintéticos o minerales, grasas, etc. (baja viscosidad, fluidez, estables químicamente, poco volátiles, no inflamables, anticorrosivos, etc.) Lubricantes sólidos: recubrimientos autolubricantes Recubrimientos sólidos con estructura laminar: MoS 2, WS 2, Grafito, DLC, hbn, CaF 2 - BaF 2, PTFE, etc. Procesos: Deposición física en fase vapor (PVD), Proyección térmica, Solgel, etc

51 Aumento de la dureza Estrategias para reducir el desgaste ACEROS Tratamientos térmicos superficiales (Llama, Inducción, Láser) y Tratamientos Termoquímicos (Cementación, Nitruración, Borodización) Tratamientos superficiales con láser: Aleación superficial; Plaqueado Recubrimientos Electrolíticos (Cormo duro) y Químicos (Níquel) Tratamientos de superficie y recubrimientos Recubrimientos por proyección térmica: Plasma (Cr 2 O 3 ), HVOF (WC-CoCr) Anodizado: aluminio y titanio Sol-gel: SiO 2, TiO 2 Recubrimientos por deposición Química (CVD) y Física (PVD): TiN, CNCr; TiAlN; DLC, etc..

52 TRIBOLOGÍA - LA CIENCIA DE LA FRICCIÓN Y EL DESGASTE Josep A. Picas Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica Centro de Diseño de Aleaciones Ligeras y Tratamientos de Superficie (CDAL) Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)