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Tribología
Josep A. PicasDepartamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica
Centro de Diseño de Aleaciones Ligeras y Tratamientos de Superficie (CDAL)
Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
TRIBOLOGÍA - LA CIENCIA DE LA FRICCIÓN Y EL DESGASTE
Tribología
ÍNDICE
• Tribología: Fricción y Desgaste
• Principales mecanismos de desgaste
• Ensayos tribológicos y normativa
• Estrategias para reducir el desgaste
Tribología
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".
• 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”.
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Tribología
Las propiedades tribológicas comprenden dos fenómenos:
• FRICCIÓNLa fricción es la fuerza que se opone al movimiento relativo entre dos
superficies sólidas.
• DESGASTEEl 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.
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Tribología
FRICCIÓNLa fricción: ¿es buena o mala?
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 losmateriales (tornillos, frenos, embragues, neumáticos, etc.)
La fricción permite hacer música (instrumentos de arco)
La fricción se requiere para algunas aplicaciones.
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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
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 rodaduraTrib
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Tribología
Coeficiente de fricciónLa 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:
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Tribología
Sistema
Tribológico
Condiciones ambientales
• Temperatura
• Humedad
• Etc...
Materiales en contacto
• Tipos de materiales
• Parámetros superficiales
• Reactividad química
• Elasticidad, dureza
• Etc...
Factores del sistema:
• Velocidad relativa
• Dirección del movimiento : unidireccionalbi-, multidireccional
• Carga aplicada
Lubricación
• Composición química
• Viscosidad
• Estabilidad
• Etc...
Parámetros que influyen en la fricción
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Tribología
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
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 0,61Cobre 0,53Latón 0,51Acero 0,80 (seco)
0,16 (lubricado)Polietileno 0,20
PTFE (teflón) 0,04Hielo 0,02
Coeficiente de fricción
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Tribología
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
fundirse a causa del aumento de la temperatura por fricción.
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Coeficiente de fricción
flasheo
Catenaria/pantógrafo
Tribología
DESGASTEEl 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.
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
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Desgaste adhesivo
Desgaste abrasivo
Desgaste erosivo
Desgaste por fatiga superficial
Desgaste por corrosión
Desgaste por cavitación
Mecanismos de desgaste
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Tribología
Desgaste adhesivoEl desgaste adhesivo es el que se produce en el contacto entre dos superficies endeslizamiento. Este mecanismo es consecuencia de que las dos superficies presentanuna 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 lanominal o aparente.
La rugosidad superficial confina el contacto entre solidos a una mínima fracción delárea de contacto, la cual será la que soporte la totalidad de la carga aplicada (el áreareal de contacto puede ser del orden de 10-2 y 10-5 veces el área aparente).
Prin
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Tribología
Desgaste adhesivoPor consiguiente la carga existente entre ambas superficies es transferida a los puntos
de contacto, ocasionando una elevada presión local que comporta la formación de
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.
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Tribología
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 .
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Desgaste adhesivo
Tribología
Compatibilidad en aumento, por tanto razón de desgaste en aumento
Desgaste adhesivo
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Desgaste adhesivo
Desgaste adhesivo en la superficie del material
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Desgaste adhesivo: OxidaciónA 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
capa continua de elevada dureza, que comportará una disminución del desgaste.
Desgaste adhesivo: FusiónA 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.
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Desgaste abrasivoEl desgaste abrasivo es el que se produce por la presencia de partículas
sólidas de elevada dureza atrapadas entre las dos superficies en contacto.
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
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Tribología
Desgaste abrasivo de dos cuerposEste mecanismo se produce cuando un material de elevada dureza se desliza
sobre un material más blando. La rugosidad del material más duro penetra
en la superficie del más blando arrancando partículas de material.
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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
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.
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Desgaste abrasivo
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Desgaste erosivoEl desgaste erosivo se produce cuando partículas duras (inmersas en un gas oen un líquido) golpean la superficie de un material más blando.
Desgaste erosivo sobre un material dúctil Desgaste erosivo sobre unmaterial frágilPr
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Variables:
• Velocidad.
• Ángulo de incidencia.
• Concentración, forma y
dureza.
Tribología
Desgaste erosivoEl desgaste erosivo es el mecanismo típico que se produce en:
• Tuberías, turbinas hidráulicas y asientos de válvulas que están en contacto
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.
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Desgaste erosivo
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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
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”) .
Desgaste por fatiga superficial
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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.
Desgaste por fatiga superficial
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Desgaste por fatiga superficial
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Desgaste por corrosión o tribocorrosiónEl desgaste o deterioro por corrosión es causado por el ataque químico oelectroquímico a la superficie, normalmente provocado por la presencia deingredientes activos en el ambiente o en el líquido lubricante: ácidos,humedad, etc. El ataque corrosivo habitualmente se produce a través de lasfronteras de grano de la microestructura causando pequeñas picaduras máso menos uniformes en la superficie del material.
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Tribología
Desgaste por cavitaciónEl 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
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.
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Tribología
Desgaste por cavitaciónEl desgaste por cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se
producen cambios bruscos de la velocidad del líquido. Ejemplos:
En partes móviles En partes no móviles
• Àlabes de turbinas • Estrangulamientos bruscos
• Rodetes de bombas • Regulación mediante orificios
• Hélices de barcos • En válvulas reguladoras
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Tribología
Ensayos Tribológicos y NormativaDado que el desgaste de los materiales es uno de los principales problemas
en la industria, existe la necesidad de realizar ensayos de laboratorio para
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.
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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.
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Tribología
Dado que existen numerosas condiciones de trabajo y ensayos de laboratorio,hay muchas normas diferentes publicadas por diversos organismos públicos yprivados:
• 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; GranBretaña); MIL-STD (United States Military Standard); NPT (National PipeThread; USA); SIS (Swedish Standards Institute), ……
Normativas para ensayos tribológicos
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Tribología
Normativas para ensayos tribológicosNorma Titulo
ASTM B611 - 13 Standard Test Method for Determining the High Stress Abrasion Resistance of HardMaterials
ASTM D2266 - 01 (2015) Standard Test Method for Wear Preventive Characteristics of Lubricating Grease (Four-BallMethod)
ASTM D2670 - 95 (2016) Standard Test Method for Measuring Wear Properties of Fluid Lubricants (Falex Pin and VeeBlock Method)
ASTM G65 - 16 Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus
ASTM G76 - 13 Standard Test Method for Conducting Erosion Tests by Solid Particle Impingement Using GasJets
ASTM G77 - 05 (2010) Standard Test Method for Ranking Resistance of Materials to Sliding Wear Using Block-on-Ring Wear Test
ASTM G99 – 05 (2016) Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus
ASTM G105 - 16 Standard Test Method for Conducting Wet Sand/Rubber Wheel Abrasion Tests
ASTM G133 – 05 (2016) Standard Test Method for Linearly Reciprocating Ball-on-Flat Sliding Wear
ASTM G181 - 11 Standard Test Method for Conducting Friction Tests of Piston Ring and Cylinder LinerMaterials Under Lubricated Conditions
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Tribología
Normativas para ensayos tribológicosNorma Titulo
BS EN 1071-6:2007 Advanced technical ceramics. Methods of test for ceramic coatings. Determination of theabrasion resistance of coatings by a micro-abrasion wear test .
BS EN 1071-12:2010 Advanced technical ceramics. Methods of test for ceramic coatings. Reciprocating wear test
DIN 50324:1992-07 Tribology; testing of friction and wear model test for sliding friction of solids (ball-on-discsystem) (2014)
DIN 51350 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 andgreases - Four ball method.
IP 300 Rolling Contact Fatigue Tests for Fluids in a Modified Four Ball Machine.
ISO 7148-1:2012 Plain bearings -- Testing of the tribological behavior of bearing materials -- Part 1: testing of bearing metals;.
ISO 7148-2:2012 Plain bearings -- Testing of the tribological behavior of bearing materials - Part 2: Testing ofpolymer-based bearing materials.
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Tribología
Ensayo Pin-on-Disc
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,
aplicada sobre un disco que gira a una velocidad lineal constante.
Carga aplicada
Muestra (disco)
(Normas ASTM G99 – DIN 50324)
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Tribología
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
Carga aplicada (N) 2, 5, 10, 20, 30, 40 ,50
Velocidad lineal (cm/s) 5, 10, 20 ....
Distancia de deslizamiento de m hasta km
Humedad relativa 30% hasta 100%
Ensayo en seco o con
lubricación
Aceites lubricantes, agua, etc.
Temperatura Temperatura ambiente
Alta temperatura (400 - 500 ºC)
Diámetro del Pin 6 mm
Dimensiones máximas del
disco
60 mm de diámetro
15 mm de altura
Ensayo Pin-on-disc: variables del ensayo
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Tribología
El ensayo permite obtener una gráfica que indica como evoluciona el coeficiente de fricción
durante el ensayo:
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).
Coe
ficie
nte
de fr
icci
ón
Número de vueltas
(a) (b) (c)
Ensayo Pin-on-disc: resultados
MoS2/Titanio
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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.
Ensayo Pin-on-disc: resultados
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Tribología
(m)distancia)]m( desgastedecanaldel[área R(m)] π[2 2
= (m) distancia
)m( eliminadovolumen = )mm(desgaste deVelocidad
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Desgaste del disco:
Desgaste del pin esférico:
= (m) distancia
)m( eliminadovolumen = )mm(desgaste de Velocidad
33
(m)distancia)]m( h /4[3d (m)] h/6 π[ 222 +
1/222 /4)d(r -r h −=hd
r
(N) carga (m)distancia
)m( eliminadovolumen = )m·Nm(desgastedeespecíficaVelocidad
33
Ensayo Pin-on-disc: resultados
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Tribología
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
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.
Reciprocating Test (Normas ASTM G133 – DIN 51834)
F (N)
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Tribología
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.
V = A . L A = valor medio del área determinada en diferentes
puntos del canal de desgaste
L = longitud del canal de desgaste
Reciprocating Test: resultados
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Tribología
(Normas ASTM G65 – ASTM G105 – ASTM B611)
Ensayo de desgaste abrasivo
Este ensayo simula el desgaste de
materiales por medio de partículas
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:
( ) final masa - inicial masa = (g)finaldiámetro
inicialdiámetropesodePerdida
La resistencia al desgaste se evalúa pasando la pérdida de peso a volumen y dividiendo el
volumen (mm3) por la distancia recorrida por el disco en el ensayo (m).
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Tribología
Ensayo de desgaste abrasivo
El equipo consta principalmente:
• Una tolva y una boquilla para el paso del
material abrasivo.
• 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 (250-350 g/min).
La probeta a ensayar es presionada por medio de una palanca con una fuerza constante y definida
(45-130 N).
La dirección de rotación del disco tendrá el mismo sentido que el flujo de material abrasivo.
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Tribología
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 15o a 90o).
• Distancia.
• Temperatura.Ensa
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Tribología
El desgaste no ocasiona fallas violentas, pero genera consecuencias funcionales, talescomo:
• Reducción de la eficiencia y el rendimiento.
• 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.
Estrategias para reducir el desgaste
Estr
ateg
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para
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Tribología
Estrategias para reducir el desgaste
Estr
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Para afrontar el problema de desgaste de un componente, básicamente se
pueden emplear dos estrategias:
• 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.
Tribología
Reducción del coeficiente de fricción
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Uso de un medio lubricante
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 estructuralaminar: MoS2, WS2, Grafito, DLC, hBN,CaF2 - BaF2 , PTFE, etc.
Procesos: Deposición física en fasevapor (PVD), Proyección térmica, Sol-gel, etc…
TribologíaEs
trat
egia
s pa
ra re
duci
r el d
esga
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Aumento de la dureza
Tratamientos de superficie y recubrimientos
ACEROSTratamientos térmicos superficiales
(Llama, Inducción, Láser)y Tratamientos Termoquímicos
(Cementación, Nitruración, Borodización)
Recubrimientos Electrolíticos (Cormo duro) y Químicos
(Níquel)
Recubrimientos por deposición Química (CVD) y Física (PVD):
TiN, CNCr; TiAlN; DLC, etc..
Recubrimientos por proyección térmica: Plasma (Cr2O3),
HVOF (WC-CoCr)
Tratamientos superficiales con láser: Aleación superficial;
Plaqueado
Anodizado: aluminio y titanio
Sol-gel: SiO2, TiO2
Tribología
Josep A. PicasDepartamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica
Centro de Diseño de Aleaciones Ligeras y Tratamientos de Superficie (CDAL)
Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
TRIBOLOGÍA - LA CIENCIA DE LA FRICCIÓN Y EL DESGASTE