DESGASTE DE MATERIALES

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1 DESGASTE DE MATERIALES INTRODUCIÓN El desgaste es conocido desde que el ser humano comenzó a utilizar elementos naturales que le servían como utensilios domésticos. Este fenómeno al igual que la corrosión y la fatiga, es una de las formas más importantes de degradación de piezas, elementos mecánicos y equipos industriales. El desgaste puede ser definido como el daño superficial sufrido por los materiales después de determinadas condiciones de trabajo a los que son sometidos. Este fenómeno se manifiesta por lo general en las superficies de los materiales, llegando a afectar la sub-superficie. El resultado del desgaste, es la pérdida de material y la subsiguiente disminución de las dimensiones y por tanto la pérdida de tolerancias. Los mecanismos de daño en los materiales se deben principalmente a deformación plástica, formación y propagación de grietas, corrosión y/o desgaste Desde que el desgaste comenzó a ser un tópico importante y que necesitaba estudiado y entendido, comenzaron a aparecer en los libros de diseño y en la mente de los diseñadores, ideas sencillas de como prevenirlo o combatirlo, entre esas ideas se tienen: 1. Mantener baja la presión de contacto 2. Mantener baja la velocidad de deslizamiento 3. Mantener lisas las superficies de rodamientos 4. Usar materiales duros 5. Asegurar bajos coeficientes de fricción 6. Usar lubricantes Tipos de desgaste. Desgaste por fatiga de contacto. Este tipo de desgaste ocurre cuando piezas son sometidas a elevados esfuerzos, los cuales provocan la aparición y propagación de grietas bajo la acción repetitiva de estos. En el caso de piezas sometidas a deslizamiento, las capas superficiales sufren intensas deformaciones como resultado de la acción simultánea de las tensiones de contacto y de la fuerza de fricción. Los esfuerzos a los que están sometidos los materiales particularmente en las capas superficiales, promueven en la mayoría de los casos, alteraciones en la estructura cristalina y en el tamaño de grano. Con las nuevas tecnologías se ha necesitado de materiales, que a través de modernos procesos de producción o de tratamiento térmico, presenten una combinación especial de microestructura y propiedades mecánicas, garantizando con esto, niveles de tolerancia, acabado superficial y desvíos de forma y posición cada vez mejores. Por otra parte las leyes son cada vez más rigurosas, controlando los niveles de ruido y contaminantes perjudiciales para el hombre y el medio ambiente que provienen de selecciones equivocadas de materiales o procesos de producción empíricos. El picado originado a partir de grietas, es una de las fallas por fatiga de contacto superficial típica de elementos de máquinas, los cuales trabajan bajo régimen de lubricación elastohidrodinámica y elevadas cargas superficiales. Este es el caso de cojinetes de rodamiento y ruedas dentadas en su punto de contacto. Aquí, el mecanismo principal de falla es la aparición y propagación de grietas después que las superficies han almacenado una determinada deformación plástica. Por esto, es importante el buen acabado superficial y la correcta selección y filtrado de los lubricantes. Según Gras e Inglebert (1998), la fatiga de contacto se debe al aparecimiento de transformaciones microestructurales o decohesiones localizadas que conducen al daño de las superficies. DESGASTE ABRASIVO DEFINICIÓN La Norma ASTM G40-92 define el desgaste abrasivo como la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste abrasivo y desgaste por deslizamiento es el grado de desgaste entre los cuerpos involucrados (mayor en el desgaste abrasivo), ya sea por la naturaleza, tipo de material, composición química, o por la configuración geométrica. Como se muestra en la figura 7, existen básicamente de los tipos de desgaste abrasivo, estos son: desgaste abrasivo a de los cuerpos o a tres cuerpos. En abrasión a de los cuerpos, el desgaste es causado por rugosidades duras pertenecientes a una de las superficies en contacto, mientras que la abrasión a tres cuerpos, el desgaste es provocado por partículas duras sueltas entre las superficies que se encuentran en movimiento relativo. Como ejemplo de desgaste abrasivo a dos cuerpos, se tiene un taladro penetrando una roca, mientras que a tres cuerpos se puede citar el desgaste sufrido por las mandíbulas de una trituradora al quebrar la roca, o por la presencia de partículas contaminantes en un aceite que sirve para lubricar de los superficies en contacto deslizante.

2 Figura 7. Desgaste abrasivo a) a de los cuerpos y b) a tres cuerpos La figura 8 muestra la influencia del tamaño de partícula generada durante el desgaste o inherente al sistema en la definición del mecanismo de desgaste operante. El mecanismo de adhesión es verificado para tamaños de partículas menores de 10 m, que corresponden a tamaños característicos de micro-constituyentes en materiales ferrosos (por ejemplo carburos en el acero AISI 52100) o partículas de desgaste que permanecen en el área de contacto, pero sin llegar a actuar como partículas abrasivas, pues el nivel de actuación de esas partículas para el sistema es aún bajo. Para tamaños mayores que 10 m, la variación de la tasa de desgaste sigue características frecuentemente vistas en sistemas abrasivos, como será visto posteriormente. Figura 8.Variación del desgaste específico con el tamaño de la partícula ( m) MECANISMOS DE DESGASTE ABRASIVO El mecanismo más efectivo de remoción de material en desgaste abrasivo para materiales dúctiles es el corte. Aunque en función de determinadas variables del sistema y propiedades de los materiales involucrados, la eficiencia en la remoción de material bajo este mecanismo puede ser atenuada. Cuando esto ocurre, se dice que está presente el mecanismo de microsurcado, donde la remoción de material solamente se dará por acciones repetidas de los abrasivos, llevando a un proceso de fatiga de bajos ciclos. La Figura 9 muestra diferentes apariencias de la superficie en función de la carga, aplicada provocadas por un penetrador esférico de diamante de un material dúctil, en las cuales se pasa de microsurcado para microcorte. Estas micrografías fueron obtenidas en microscopio electrónico de barrido. Figura 9. Micrografías en microscopia electrónica de barrido mostrando micro-mecanismos de abrasión controlados por deformación plástica: a1) microsurcado; b1) y c1) formación de proas y d1) microcorte. La proporción de material del volumen del surco desplazado durante el proceso de abrasión de un material dúctil a los lados del surco, es decir la relación entre microsurcado y microcorte depende del ángulo de ataque de la partícula abrasiva. De acuerdo a los investigadores Mulheram, Samuels y Sedriks, el material es sacado de la superficie por microcorte cuando el 2

3 ángulo de ataque (á c ) de la particlua erosiva es mayor que un valor crítico. Ese valor critico del ángulo de ataque es función del material que está siendo desgastado y de las condiciones de ensayo. Teoricamente á c describe una transición aguda entre microsurcado y microcorte. En la práctica, una transición más gradual de microsurcado o microcorte es observado con el incremento del ángulo de ataque Autores como Stroud y Willian (1974), Buttery y Archard (1970) y Moore y Swanson (1983), discutieron el hecho, que solo una parte del volumen del surco producido por partículas duras, es inmediatamente removido como partículas de desgaste fuera del material, es resto se localiza en el borde en forma de proa. En materiales con microconstituyentes de plasticidad limitada, el mecanismo de microcorte acaba por ser característico, o sea, para una severidad de desgaste baja, se evidencia el microsurcado y hay una transición para microfractura cuando alguna variable del sistema promueve aumento de severidad. Este efecto puede ser visto en la figura 10. Figura 10. Relación entre tenacidad a la fractura y resistencia al desgaste abrasivo en diferentes materiales cerámicos y polímeros (Zum Gar). DESGASTE POR CAVITACIÓN INTRODUCIÓN. La cavitación es un problema frecuentemente encontrado en equipos hidráulicos, el cual genera gran dificultad para su mantenimiento. El problema de la cavitación surgió con el desarrollo de los barcos a vapor en el inicio de este siglo. Con la fabricación estos barcos, capaces de alcanzar mayores velocidades, algunos de ellos comenzaron a presentar un desgaste severo y localizado en sus hélices. Inicialmente se pensó que este desgaste se debía a la corrosión de los materiales de las hélices, siendo esta la responsable por el daño en dichos materiales, aprovechando su baja resistencia a la corrosión. Pero, al estudiarse el fenómeno más detalladamente, se descubrió que las hélices no sufrían desgaste cuando no estaban en funcionamiento y que este también ocurría en medios químicamente inertes. Así el desgaste solo podría ser debido a un fenómeno que ocurría durante el flujo de los fluidos frente a los materiales por los que pasaban. En 1915 en Inglaterra se estudió este fenómeno por primera vez y se llegó a la conclusión que el desgaste era provocado por repetidos golpes hidráulicos que alcanzaban la superficie de las hélices durante su funcionamiento. Pero los mecanismos por los cuales este desgaste ocurría no quedaron claros y el fenómeno permaneció sin explicación hasta En este año, un artículo de autoría de Lord Rayleigh fue publicado. En el artículo, Rayleigh proponía un mecanismo para explicar el fenómeno. Este investigador dedujo en su hipótesis, que durante el flujo de un fluido pueden ocurrir caídas de presión que pueden alcanzar valores del orden de la presión de vapor del líquido en la temperatura de trabajo, provocando la nucleación de pequeñas burbujas de vapor. Estas burbujas son llevadas por el flujo y al alcanzar regiones de mayores presiones sufren un colapso violento y caótico que genera altas presiones y velocidades en las regiones próximas al colapso. Estas altas presiones y velocidades que surgen del colapso, provocan el desgaste de superficies sólidas próximas. Como conclusión a esta teoría, hasta ahora la más aceptada, es que, el desgaste por cavitación se puede definir como aquel daño que ocurre en los materiales debido al crecimiento y colapso de pequeñas burbujas, que surgen debido a las variaciones de presión durante el flujo de un fluido. Aunque hasta la fecha se ha tenido un enorme avance desde la publicación del artículo de Lord Rayleigh, un entendimiento completo del fenómeno aún está lejos de ser alcanzado y aún es mucho lo que debe ser estudiado de este tópico. Los efectos que el desgaste por cavitación provocan, van desde la pérdida de eficiencia, hasta la inutilización completa del equipo. Hasta hoy no hay una manera de preverse el desgaste de un equipo sujeto a cavitación y las paradas para mantenimiento de un equipo aún son estipuladas con base en la experiencia de los operadores. Sin embargo hoy tenemos dos maneras de lidiar con el problema de la cavitación: uno es el desarrollo de materiales más resistentes y otro, es mejor el diseño de equipos hidráulicos evitando caídas de presión muy bruscas. 3

4 MECANISMOS DE DAÑO Rayleigh mostró la posibilidad del surgimiento de elevadas presiones y velocidades debido al colapso de burbujas. En su trabajo utilizó un balance de energía para mostrar la posibilidad de surgimiento de altas presiones originadas en el colapso de las burbujas. De las suposiciones propuestas por Rayleigh, la que más influye es aquella donde afirma que la presión interna puede ser despreciada. En realidad siempre existirá una cierta cantidad de aire o gases disueltos en el líquido, y en el interior de la burbuja siempre existirá vapor debido a su propia nucleación. Por otro lado la presión en el interior de la micro-burbuja no puede ser despreciada. Parte de la energía de colapso es utilizada para comprimir los gases o vapores en el interior de la burbuja, los cuales alcanzan presiones y temperaturas muy altas. Las consecuencias de este hecho se pueden entender mejor de la siguiente forma. Durante el colapso, ocurre flujo de fluido en dirección a la burbuja, provocando aumento de presión en la interface burbuja/líquido y acelerando cada vez más la interface. El colapso se da de manera tan rápida que parte del vapor presente en la burbuja no tiene tiempo suficiente de condensarse. Así, el vapor (y también cualquier gas disuelto) será comprimido a una alta presión que, eventualmente, será suficientemente alta para interrumpir el colapso y hacer con que la burbuja crezca nuevamente de forma explosiva, emitiendo ondas de presión o de choque, conforme se esquematiza en la Figura 11 Figura 11: Representación esquemática del fenómeno de nucleación y colapso de micro-burbujas y la emissión de ondas de choque Las ondas de presión emitidas durante el crecimiento explosivo de las burbujas son las responsables por el daño del material. Estas ondas de choque que generan elevadísimas presiones, son capaces de alcanzar valores del orden de GPa y actúan en un intervalo de tiempo muy curto sometiendo al material a una tasa de deformación muy alta. Este mecanismo continuaría indefinidamente sino existieran mecanismos de disipación de energía. La disipación de energía ocurre en virtud de la viscosidad del fluido, que de manera general, puede ser considerado como un factor de amortiguamiento, transformando la energía mecánica del colapso en energía térmica. La viscosidad también reduce la tasa de crecimiento o colapso de las micro-burbujas, reduciendo con esto el daño potencial. La compresibilidad del líquido tiene gran influencia en la formación de las ondas de choque y en la fase siguiente al colapso: la compresibilidad del fluido causa una atenuación de las ondas de choque emitidas y diminuye el daño total provocado. Para que las ondas de choque puedan provocar daño a un material, es necesario que el colapso ocurra muy próximo a las superficies sólidas. Pero cuando el colapso ocurre próximo a una superficie sólida esta altera el flujo y da origen a un segundo mecanismo de daño posible: los micro chorros. Cuando el colapso de la burbuja ocurre próximo a una superficie sólida, el flujo en la región entre esta y la burbuja es restringido. Así la velocidad de contracción de la burbuja en esa región es menor que en las regiones de la burbuja más distantes de la superficie sólida. Esa diferencia de velocidad de contracción, provoca una asimetría de colapso, esto explica porque las micro-burbujas no presentan una forma esférica. El comportamiento de pérdida de esfericidad de las burbujas es presentado en la Figura 12. Con la continuación del colapso, hay una aceleración de la burbuja y por consiguiente la formación de un micro chorro, siendo este otro mecanismo de daño posible además de las ondas de presión. 4

5 Figura 12: Modelos de formación de micro chorros Por lo tanto, existen dos mecanismo por los cuales el crecimiento y colapso de burbujas pueden causar daño al material en regiones vecinas al colapso: la emisión de ondas de choque y los micro chorros. La pregunta de sí el daño por cavitación es provocado por ondas de presión o por micro chorros es un asunto aún controversial en la literatura. Durante la década del 40 y 50, se creía que las ondas de presión eran el mecanismo responsable por el daño. Con el descubrimiento de los micro chorros, fue entonces puesta atención a las presiones generadas por estos. Así que la pregunta aún no fue resuelta y la posición actual es que el daño es provocado por la acción conjunta de estos dos mecanismos. Desgaste adhesivo La adhesión esta asociada a toda formación y posterior rompimiento de enlaces adhesivos entre las interfaces, cuando dos superficies son colocadas en contacto íntimo. La adhesión conlleva además al soldado en frío de las superficies. Con respecto al desgaste adhesivo, el papel principal lo juega la interacción entre las superficies y su grado de limpieza, es decir, cuando el acercamiento entre los cuerpos es tal, que no se presenta ningún tipo de impurezas, capas de óxido o suciedades, se permite que el área de contacto sea aumentada, pudiéndose formar uniones adhesivas más resistentes. El desgaste adhesivo es ayudado por la presencia de altas presiones localizadas en las asperezas en contacto. Estas asperezas son deformadas plásticamente, permitiendo la formación de regiones soldadas localizadas. El desgaste adhesivo ocurre como resultado de la destrucción de los enlaces entre las superficies unidas, permitiendo que parte del material arrancado se transfiera a la superficie del otro. Así, la superficie que gana material aumenta su rugosidad con el agravante de que cuando el movimiento continua, se genera desgaste abrasivo contra la otra superficie. Piezas de maquinaria donde está normalmente involucrado el desgaste adhesivo, son. Sistemas, biela-seguidor, dados de extrusión-alambre, cola de milano-apoyo, engranajes, rodamiento-apoyo y herramientas de corte, son elementos que pueden sufrir desgaste debido a adhesión. La unión entre las superficies en contacto son destruidas, en caso que la resistencia al corte de la interface sea menor que la resistencia de los dos materiales considerados. Puede suceder que la región adherida tenga mayor resistencia al corte que alguno de los dos materiales o incluso que los dos, por tanto se puede presentar desgarre en uno, o en los dos materiales, permitiendo que uno de ellos sea adherido a la otra superficie del otro o que los dos materiales pierdan la interface. La tendencia a formar regiones adheridas, depende de las propiedades físicas y químicas de los materiales en contacto, al igual que de los valores de carga aplicados y las propiedades de los materiales que están sobre las superficies, y finalmente de la rugosidad. Generalmente el contacto entre metales es no metálico debido a la presencia de capas absorbidas como óxidos. La adhesión en este caso se da por medio de enlaces débiles o fuerzas de Van der Waals. Sin embargo, la deformación elástica o plástica de las asperezas puede provocar rompimiento de estas capas, por lo que la unión de la interface se da por medio de enlaces covalentes y metálicos, siendo los enlaces iónicos insignificantes en los metales. Mientras la fuerza de adhesión dependa del área real de contacto, esta será influenciada por la resistencia de los materiales a la deformación plástica, por el tipo de estructura cristalina y por el número de sistemas de deslizamiento. El investigador Sikorski (1964) mostró que hay una fuerte tendencia a la adhesión de acuerdo al tipo de estructura cristalina que presenten los materiales. En la figura 13 es mostrada la dependencia del coeficiente de adhesión en función de la dureza y el tipo de estructura cristalina presente. Aquí el coeficiente de adhesión es definido como la relación entre la fuerza necesaria para quebrar las uniones adheridas y la carga normal con la cual las muestras fueron inicialmente comprimidas. De la figura es posible notar que a medida que aumenta la dureza, en general hay un decrecimiento del coeficiente de adhesión. 5

6 Figura 13. Coeficiente de adhesión en función de la dureza y el tipo de estructura cristalina. Desgaste erosivo y erosivo-corrosivo INTRODUCIÓN El desgaste erosivo es un fenómeno que afecta gran cantidad de elementos de máquinas en las industrias minera y alimenticia, así como: turbinas hidráulicas, implementos agrícolas, sistemas de bombeo y dragado en ríos y minas, al igual que piezas específicas usadas en las industrias petrolífera y petroquímica, entre otras muchas aplicaciones. Con este tipo de desgaste, no solo se tiene perdida de material y la consecuente falla de las piezas, sino que está asociado a perjuicios financieros en virtud del tiempo asociado a la reparación de equipos y substituciones de los componentes desgastados. El conocimiento de los mecanismos de remoción de material involucrados durante el desgaste erosivo, así como el reconocimiento y la caracterización de las diferentes variables involucradas, son líneas muy importantes de investigación en la ingeniería actual, así su estudio haya sido comenzado hace ya varias décadas. Varias teorías que intentan entender y relacionar los diferentes mecanismos que actúan durante la erosión, con las variables involucradas, han sido desarrolladas en modelos matemáticos. Estos modelos se basan en hipótesis, que a veces limitan el análisis, ya que son realizados para aplicaciones muy específicas, orientadas a la solución de problemas particulares en procesos industriales. Muchos de estos modelos, aunque basados en líneas de pensamiento coherentes, están siendo actualmente estudiados nuevamente para perfeccionarlos. Desde este punto de vista, se está intentando modelar una teoría general del fenómeno de desgaste erosivo, para lo cual se han utilizando los principios básicos de la mecánica y de la termodinámica, combinados con la ciencia e ingeniería de materiales. Un fenómeno que actúa de forma sinérgica con la erosión, es la corrosión, en general cuando el medio de trabajo es húmedo. La corrosión puede ser definida de acuerdo con literatura, como un fenómeno que deteriora un material (generalmente metálico), por acción química o electroquímica del medio ambiente, asociada o no a esfuerzos mecánicos. La acción combinada de estos procesos, corrosión y desgaste erosivo, resulta en la degradación acelerada de los materiales debido a su comportamiento sinérgico. El proceso de desgaste corrosivo en materiales que forman capas pasivas es acelerado cuando esta capa es débil, como en el caso de algunos aceros inoxidables austeníticos. Resumen histórico del estudio de la erosión Este tipo de desgaste comenzó a ser un problema hace mucho tiempo, pero la erosión como tal, solo se comenzó a estudiar con seriedad en estos dos últimos siglos. Partículas duras chocando contra una superficie ha sido un problema serio y constante para muchas industrias. Aunque por otro lado se tienen algunas aplicaciones importantes que utilizan el proceso erosivo, como por ejemplo, durante el pulido de piezas con chorro de arena. Las primeras publicaciones sobre erosión aparecieron en 1946, en ella se utilizaron 233 referencias de trabajos resueltos en industrias particulares. Para esta época, aún se tenía poco entendimiento del fenómeno y de los mecanismos que llevaban a la pérdida de material de las superficies en los materiales analizados. Estos mecanismos hasta hoy continúan siendo la base del estudio de la erosión. Muchos de los investigadores en el transcurso de sus estudios, se han interesado más en los mecanismos de remoción de material, que en las características del flujo de los fluidos, siendo que ahí puede estar la clave para la solución a muchos problemas prácticos. Estudios que van desde gotas de agua impactando aviones, daño en turbinas de vapor, hélices de barcos, etc, han sido desarrollados buscando explicar las causas del desgaste a la luz de la mecánica de fluidos. Para ello se ha usando la ecuación de Reinolds, y se ha intentado encontrar los coeficientes de arrastre das partículas. Cada día las personas están más interesadas e involucradas en el estudio del desgaste en cualquiera de sus manifestaciones, es por esto que nuevos aparatos con los más sofisticados avances tecnológicos son desarrollados en procura de la medición del desgaste y de esta forma dar una explicación del porque los materiales fallan durante su funcionamiento. 6

7 [FINNIE, 1962] fue uno de los primeros investigadores en estudiar la erosión en función del tipo de material a ser impactado (dúctil o frágil) y del ángulo de impacto de las partículas. Estudios iniciales fueran realizados con metales dúctiles y ángulos de impacto diferentes de 90 (pues se pensaba que durante impacto normal de las partículas, no se provocaba ningún desgaste). El análisis de los mecanismos de desgaste presentes fue realizado con base en variables como: velocidad de impacto, dureza y forma de las partículas, resistencia mecánica de la superficie y ángulo de impacto, donde los principales mecanismos de desgaste encontrados fueron la deformación plástica y el corte de material. En estudios posteriores, Finnie [FINNIE, 1972] consideró la influencia de otras variables, como: capacidad de deformación del material, rugosidad superficial y rotación de las partículas en el momento del impacto. En este sentido de ideas, Finnie admitió pérdida de material en ángulos de incidencia normal; en virtud que partículas fragmentadas y en rotación podían cortar el material, permitiendo el desprendimiento de este para ángulos de incidencia próximos de 90. BITTER, 1963, basado en los estudios de Finnie, propuso otras variables como el endurecimiento por deformación del material y procesos de corte secundarios por fragmentación de las partículas. Explicaciones de los mecanismos involucrados de acuerdo a estas variables son: 1) el endurecimiento por deformación diminuye la capacidad de deformación plástica del material para dar lugar a la fractura frágil, 2) la fragmentación de partículas, y posterior movimiento tangencial cortan repetidas veces la superficie del material. Estos mecanismos complementan el modelo de Finnie para desgaste en ángulos próximos la 90. En estudios realizados por Tilly, 1973, se presentó formalmente el concepto de erosión secundaria. Esta es una segunda etapa del fenómeno de corte en la cual, los fragmentos de las partículas que chocaron con la superficie la primera vez, realizan un segundo proceso de corte al moverse tangencialmente sobre ella. Claramente, el modelo de Tilly reveló la importancia de estudiar las propiedades de las partículas erosivas, tales como: su fragilidad y dureza, aunque algunos resultados experimentales en la época, mostraban que a tasa de desgaste por erosión era bastante independiente de estas propiedades. Estudios posteriores centraban su atención entonces en la erosión en ángulo de impacto normal. De esta forma fueron apareciendo nuevas variables y mecanismos entre los que pueden ser citados los siguientes: 1)- Micro-fusión de regiones localizadas en la superficie [JENNINGS. et al, 1976], cuya ocurrencia depende de las propiedades térmicas del material y de la energía cinética entregada por las partículas erosivas. 2)- Fatiga de bajos ciclos, asociada a la acumulación de deformación plástica [HUTCHINGS, 1981]. Este último mecanismo permite la formación de grietas superficiales después de un determinado número de ciclos de impacto, donde material es removido en forma de pequeñas lascas, 3)- Fenómenos corrosivos, los cuales son responsables por la deterioración de los materiales en condiciones de desgaste en medio húmedo. [WANG; XU, 1985.; MADSEN, 1983, 1986 y 1988], 4)- Sinergismo erosión-corrosión, a partir del cual se encontró un aumento en la pérdida de material. En trabajos más recientes [MENG; LUDEMA, 1994.; SUNDARARAJAN, 1995.; FINNIE, 1996] se estudiaron de nuevo los modelos de desgaste propuestos hasta la época intentando explicar en forma más general el problema del desgaste. Este abordaje propone acoplar los diversos modelos y de esta forma dar una explicación más racional al problema de la erosión y de la erosión corrosión. Otro abordaje reciente consiste en la investigar fenómenos asociados al desgaste que hasta el momento han sido difíciles de estudiar o han sido despreciados u olvidados en trabajos anteriores, tales como el fretting y la cavitación [KWOK; CHENG; MAN, 2000.; FOUVRY; VINCENT; KAPSA, 1996] En diversos estudios realizados por investigadores como Wang y Xu y Madsen, se mostró la importancia de los fenómenos corrosivos en la erosión de metales en medios húmedos, en especial cuando las partículas abrasivas presentan baja angulosidad, mismo que el material a desgastar sea considerado resistente a la corrosión (aceros inoxidables. por ejemplo). Los resultados de estos investigadores permitieron concluir que el efecto combinado de la erosión y la corrosión es mayor que la suma de los efectos aislados. De esta forma, fueron propuestos algunos mecanismos mixtos para explicar lo que fue llamado como procesos sinérgicos erosión-corrosión. Desgaste por erosión Según [ZUM GAHR, 1978], el desgaste erosivo se presenta en la superficie de los cuerpos, resultado del impacto de partículas sólidas, líquidas o gaseosas que los impactan. Estas partículas pueden actuar solas o de manera combinada. La erosión afecta muchos materiales de ingeniería, especialmente elementos que componen maquinaria usada en la industria minera y en general toda pieza que sea impactada por cualquier tipo de partícula. Las partículas que causan el desgaste erosivo pueden estar en ambientes secos o húmedos pudiendo actuar en forma muy variadas tal como se muestra en la figura 14. Cuando el medio de trabajo es húmedo (por ejemplo, un medio con agua y partículas de arena), la erosión y la corrosión son fenómenos que actúan en forma sinérgica, provocando la degradación acelerada de los materiales. Para el estudio del desgaste de piezas en general, se han propuesto en los últimos años varios modelos teóricos. En estos modelos se intentan comprender los mecanismos de remoción de material y las variables involucradas. 7

8 Figura 14. Diferentes formas de actuación de partículas erosivas en la formación de: (a) microcorte y micro-arado, (b) Agrietado superficial, (c) Desplazamiento de material al borde de los cráteres de impacto (d) grietas por fatiga superficial y sub-superficiales causadas por los múltiples impactos (e) Formación de pequeñas hojuelas debido a la extrusión y forjado en los impactos y (f) Formación de pequeñas hojuelas por procesos de extrusión inversos. [ZUM GAHR, 1978]. En otras definiciones clásicas de la erosión se afirma, que este es un fenómeno por medio del cual, material es removido de una superficie durante la acción continua de partículas duras o de fluidos que la alcanzan. Las partículas impactan las superficies a diferentes velocidades y ángulos de incidencia, donde el desgaste se da a través de diferentes mecanismos. En la figura 15 son presentados esquemas que muestran la forma como partículas erosivas actúan en una superficie en dependencia del ángulo de incidencia. Para erosión en ángulos cercanos a 90, la energía de la partícula es consumida durante la deformación de la superficie y para ángulos menores, esa energía es utilizada en deformar y cortar el material de la superficie. (a) (b) Figura 15. Erosión de una superficies según el ángulo de impacto a) normal y b) diferente de 90. De acuerdo al medio donde actúan las partículas erosivas, la erosión puede ser dividida en: Erosión a seco. Cuando las partículas son arrastradas por aire u otro gas y son obligadas a impactar una superficie. Uno de los sistemas usados en ensayos de erosión a seco es presentado en la figura 16. Figura 16. Mecanismo para desgaste erosivo a seco. Erosión em medio Acuoso. Se presenta cuando partículas duras son arrastradas en un medio acuoso y son obligadas a impactar una superficie. Uno de los equipos utilizados en la realización de ensayos de erosión en medio acuoso es presentado en la figura 17. 8

9 Figura 17. Montaje utilizado en las mediciones de desgaste erosivo en medio acuoso.. Mecanismos de desgaste erosivo. Cuando un material dúctil es impactado, son formados cráteres en su superficie, alrededor de los cuales aparece una pequeña proa constituida de material removido. Después de múltiples impactos, el material es arrancado en forma de debris (partículas de desgaste). La forma y tamaño de los cráteres formados dependen (entre otras variables) de la velocidad, tamaño y ángulo de impacto de las partículas. En la figura 18(a) es presentado el mecanismo de formación de proa en metales dúctiles. Para materiales frágiles como los vidrios, cerámicos o metales muy duros, el mecanismo de remoción es diferente. Es estos materiales los sucesivos impactos causan micro-grietas superficiales, las cuales crecen hasta que se unen, provocando el arranque de material en forma de lascas. Este mecanismo es presentado en la figura 18(b). Es interesante notar que un material (aunque sea dúctil), después de estar sometido a múltiples impactos, puede sufrir cambios estructurales que lo llevan a comportarse de una forma frágil. Proa (a) (b) Figura 18. Mecanismos de remoción de material que actúan durante desgaste erosivo cuando una partícula sólida colisiona una superficie plana, para: a) metales dúctiles; y b) metales frágiles Recientemente, han sido propuestas hipótesis que tienen en cuenta características físicas y morfológicas de los cuerpos en el sistema de desgaste erosivo. A partir de trabajos de [MENG.; LUDEMA, 1994], las teorías inicialmente formuladas, se han perfeccionado continuamente. Para ello, se han utilizado los principios básicos de la mecánica y de la termodinámica, los cuales constituyen una herramienta importante en la búsqueda del entendimiento de este tipo de desgaste. El estudio del desgaste que involucra pérdida de material por impacto de partículas, ha presentado varios problemas. Los principales interrogantes que se han intentado resolver a través de estos años son 1) Cuáles son los mecanismos que actúan cuando el ángulo de impacto es de 90 y cuales los que actúan en el caso de incidencia oblicua? 2) Cuáles son los mecanismos que actúan en el caso materiales dúctiles o en el caso de ser ellos frágiles 3) Es posible que varios mecanismos puedan actuar, independientemente del ángulo de impacto y del tipo de material. Varios de esos problemas fueran en parte resueltos, siendo conocidos varios mecanismos, pero otros continúan en estudio buscando su completo entendimiento. Por tanto, son varios los mecanismos de pérdida de masa que están presentes durante un proceso erosivo. Mecanismos que dependen entonces del tipo de material ensayado (dúctil o frágil), del ángulo de impacto de las partículas y otras variables que serán mencionadas en la sección siguiente. Las regiones fracturadas a partir de estos mecanismos de desgaste, presentan una apariencia muy diferente al ser observadas al microscopio, siendo que las fallas no necesariamente están unidas a las características de ductilidad y fragilidad macroscópicas del material. Una falla dúctil corresponde a situaciones en que ocurre deformación plástica, la cual pode ser relacionada con el tamaño y morfología de las partículas (marcas de desprendimiento de material, arañones, surcos, etc.). La deformación por fractura frágil, se debe al surgimiento de grietas y desprendimiento de lascas de material. Estas grietas en materiales dúctiles pueden aparecer después de un proceso de endurecimiento superficial en la superficie y la sub-superficie. Desgaste por fretting El desgaste por fretting ocurre entre dos superficies en contacto (no necesariamente moviéndose tangencialmente), las cuales experimentan pequeñas oscilaciones cíclicas (del orden de 1 a 100 m). Cuando algunas vibraciones aparecen en las superficies en contacto, ocurren pequeños deslizamientos en la dirección del movimiento relativo, esos pequeños deslizamientos son causa de desgaste por fretting. 9

10 Desgaste por fretting es comúnmente observado en los cubos de las ruedas de vehículos, entre las esferas y su camino de rodadura en un rodamiento de bolas, en los puntos de contacto entre dos engranajes, entre otros ejemplos. El desgaste por fretting puede conducir a la pérdida de las uniones de contacto de los cuerpos, incrementando la vibración y acelerando la tasa de desgaste. También se ha observado que en general los debris (partículas de desgaste), son óxidos y como estos ocupan un mayor volumen que el material que los origina, pueden conducir a falla por Seizure (adhesión severa que conduce a soldado de las superficies), en partes diseñadas para trabajar con una determinada holgura. De esta forma la holgura será ampliada y los debris tendrán la posibilidad de abandonar la interface más fácilmente. Un fenómeno asociado al daño por fretting, es la aparición de grietas en la región afectada, lo que ocasiona reducción de la resistencia a fatiga del material, en caso que el componente experimente esfuerzos cíclicos. El desgaste por fretting es comúnmente estudiado en laboratorios, utilizando un sistema esfera-plano, donde son aplicadas tanto carga normal como carga tangencial. Como fue mostrado en el capítulo de la mecánica de contacto, cuando una esfera es presionada normalmente contra una superficie plana, se genera debajo de esta zona una distribución de presiones, obteniéndose una presión máxima en el centro y aproximadamente cero en el borde del contacto. Cuando además de aplicar una fuerza normal, se aplica una fuerza tangencial y esta a la vez tiene la posibilidad de ser aumentada, se generan deslizamientos que cambian la distribución de presión y llevan a un desgaste de la zona de contacto, la cual varía de acuerdo a la intensidad de la fuerza tangencial, tal como se muestra en la figura 19. Figura 19. (a) Distribución del esfuerzo normal elástico, abajo de una esfera presionando un plano, (b) a (d) Vistas bidimensionales del área de contacto a medida que aumenta el valor de la fuerza tangencial cíclica (Hutchings, 1992). En la figura 19 las regiones rayadas representan áreas arriba de las cuales ocurre deslizamiento localizado entre las superficies. Por tanto, la zona de contacto puede ser dividida en dos regiones; un área central, donde no hay ningún movimiento tangencial relativo y una zona anular, en la cual ocurre micro-deslizamiento. Así, el daño por fretting ocurre en aquellas zonas de contacto donde ocurren esos pequeños deslizamientos. Ahora, cuando la fuerza tangencial cíclica es aumentada, se puede pasar de pequeñas zonas en el contacto afectadas por el micro-deslizamiento, hasta un deslizamiento total en toda el área de contacto. El daño por fretting ocurre más severamente en la región del área de contacto que sufre deslizamiento. Este desgaste en comúnmente cuantificado como la pérdida de masa o volumen que ocurre en la superficie afectada. Ensayos de laboratorio donde se ha estudiado el fretting variando el número de ciclos, han mostrado que hay un breve período inicial, donde el desgaste es acelerado, (como se muestra en la figura 19), seguido de una estabilización (curva B) o un decrecimiento (curva D) de la tasa de desgaste. Por otra parte, algunos materiales pueden experimentar incrementos en la tasa de desgaste (curvas A o C), o presentar un comportamiento lineal (curva B). En esta última condición, se ha encontrado que la tasa de desgaste es aproximadamente proporcional a la carga normal, siendo útil expresar esta relación como tasa de desgaste específica, la cual es llamada, coeficiente de desgaste dimensional (k). El coeficiente de desgaste dimensional es por tanto, el volumen removido, por unidad de distancia de deslizamiento, por unidad de carga normal. La distancia de deslizamiento esta relacionada con la duración del ensayo, la frecuencia de vibración y la amplitud de desplazamiento cíclico. Por tanto k, da una medida de la severidad del desgaste y permite que resultados de ensayos a diferentes valores de carga normal y amplitudes sean comparados. Desgaste por deslizamiento Esencialmente, el desgaste por deslizamiento es aquel en el cual hay un movimiento relativo entre dos superficies en contacto con una carga aplicada, donde el daño de la superficie no ocurre por riscado debido a la penetración de las asperezas o por partículas externas El desgaste por deslizamiento es uno de los tipos de desgaste que ocurre con mas frecuencia en la industria y por esto es estudiado con gran interés por los investigadores. Una de las razones del gran esfuerzo dedicado al estudio del desgaste por deslizamiento es su complejidad, especialmente en lo que se refiere a los múltiples mecanismos involucrados. En el 10

11 desgaste por deslizamiento están presentes mecanismos de adhesión, formación y crecimiento de grietas sub-superficiales por fatiga y formación de películas superficiales por procesos triboquímicos. También ocurre abrasión por microcorte, surcado o formación de proas. Un esquema mostrando un sistema que sufre este tipo de desgaste es presentado en la siguiente figura. Figura. Ocurrencia de desgaste por deslizamiento Experimentos con diferentes tipos de metales mostraron, que el deslizamiento produce deformación plástica en la superficie y un gradiente de deformación bajo de la superficie desgastada. Variables relacionadas a las condiciones de contacto y otras relacionadas con la microestructura de los materiales deslizantes, influyen en la intensidad de la deformación plástica de las regiones debajo de esta. Durante el desgaste por deslizamiento pueden ocurrir transiciones en la tasa de desgaste influenciadas por la carga, velocidad y distancia de deslizamiento o condiciones ambientales tales como temperatura, humedad, entre otros. Con el aumento de la carga normal ocurre una transición de desgaste moderado para desgaste severo debido a la ruptura de la película de óxido formado durante el desgaste moderado. Arriba de esta transición, el desgaste aumenta linealmente con la carga hasta que ocurre una segunda transición, donde el desgaste cambia de severo para moderado. A causa de esta segunda transición se da la presencia de una nueva película de óxido que se forma para altas temperaturas de contacto y cuya estructura difiere de la estructura del óxido formado en el desgaste moderado. Variables que influencian en el desgaste por deslizamiento Muchas variables están involucradas en el comportamiento del desgaste por deslizamiento, tales como las variables relacionadas con la geometría del par deslizante y también las variables metalúrgicas, sin excluir las variables externas como las condiciones de carga y las del medio interfacial y circundante. Según Zum Gahr, cada variable tiene una naturaleza diferente en función de la etapa del proceso de deslizamiento. Variables como el trabajo ejercido, la masa de cada cuerpo, las propiedades del material y la temperatura de la interfase, pueden ser consideradas como variables de entrada del tribosistema. Por otro lado, estas pueden ser el resultado final del proceso, esto es, se pueden transformar en variables de salida del tribosistema. Deben ser considerados también efectos como las vibraciones, calor generado, atmósfera y cambios de las propiedades de los materiales. Como resultado final de la fricción y desgaste, hay generación de productos indeseables, como fragmentos de desgaste, ruido, calor y vibraciones. 11