Fundamentos de Los Procesos de Desgaste

 

Fundamentos de los procesos de Desgaste. Dr. Roberto Sagaró Zamora

 

Pérdidas energéticas producto de la fricción y el desgaste en Canadá, 1984, posible economía. Sector económico. Industria Papelera.  Agricultura. Ferrocarril.

Pérdida de energía. Millones. $    8.1 105.00 16.8 321.00 50.6 283.00

F Moinreesrítaa.l.  Automotores.

2 22 2..8 3 18.5

Sector económico.

Gastos x sustitución piezas  



Industria Papelera.  Agricultura. Ferrocarril.

54.5 81.5 23.1

Forestal.  Automotores.

51.0 42.0

Posible economía. Millones. $    20.2 21.30 32.4 104.10 68 195.00

1 2110 1..0 50 0 126.10

desgastadas. Millones. $ 381.50 940.00 466.80 158.00 860.10

1220..81 24.8

2 22 7..2 10 0 31.30

Posible economía.  

26.3 24.7 36.1

Millones. $ 100.30 232.50 160.50

22.8 18.5

36.10 159.00



 

Definición. Dinámica del Desgaste  

El desgaste es un  proceso complejo   que se produce en complejo las superficies de los cuerpos debido a la fricción de otro cuerpo o medio, medio, trayendo por consecuencia la variación de la micro y macrogeometría superficial; de la estructura y de las propiedades mecánica físicas del material con o sin  pérdida de material .

Dinámica del desgaste.

 

Dinámica del Desgaste    ) 9

   3

8 7

  m   m6    (   o   c 5    i   r    t    é   m4   u    l   o    V 3   e    t   s 2   a   g   s   e 1    D

 Ac.65Mn4  Ac.65Mn4TT Hastellloy-C Rec. Cr-Ni-Mo

0 0

•

•

50

100 Tiempo (horas)

150

200

Para cada tipo de elemento de máquinas y condiciones de explotación se presenta una dinámica del desgaste específico.   La dinámica del desgaste no depende cualitativamente de la resistencia al desgaste de los materiales empleados en la construcción de los elementos de máquinas.

 

Indicadores del desgaste Desgaste lineal. Wh = h [μm], h-espesor desgastado.  Desgaste gravimétrico. gravimétrico. Wg = g [mgrs [mgrs], ], pérd pérdida ida de masa en mgrs. Desgaste volumétrico. Wv = V [mm³], volumen del material desgastado.  Intensidad lineal del desgaste.  I h   h S   f     sf – Recorrido de fricción (mm).    An- Área nominal de fricción (mm²). •

•

•

•

•

•

Intensidad gravimétrica . I gg    (g/ mm³) Intensidad volumétrica. I v (mm3)

 I  g   I V 





 g  S   f   . An V 

S   f   . An

 

Indicadores del desgaste •

•

(mm3 /N.mm).  I  E 

Intensidad Energética del desgaste Resistencia al desgaste. desgaste. W     1 W   Resistencia relativa al desgaste. desgaste.



V   F  F  .S   f  

 D

•

h

 E  

W h ( patró  patrón n) W h (investg .)

Wh (patrón) = desgaste del elemento patrón.   Wh (investg) = desgaste del elemento investigado. Desgaste relativo. 1

•

•

W r r    E  En dependencia del tipo de elemento de máquina: unión triobotécnica; tipo de desgaste, etc, se utilizan las diferentes expresiones dadas; por ejemplo en los cojinetes de deslizamiento se recomienda (Wh ) energética o (Ih); en las zapatas de frenos se utiliza a menudoutilizar la intensidad del desgaste (IE).  

 

ESTADOS DE FRICCION ESTADOS Modelo físico de la fricción seca. 1 y 3 cuerpos sólidos; 2. - capa de contaminante. •

Fricción seca.- Este estado es el más usual en la práctica industrial cuando

no se utiliza lubricantes, las superficies de los cuerpos sólidos se encuentran cubiertas de una sustancia contaminante (vapor de agua, humedad, capas de óxidos, etc.). El coeficiente de ffricción ricción varía een n el rango f = 0,10 ÷ 0,8.

Modelo físico de la fricción límite. 1 y 2 cuerpos sólidos; 3. - capa de lubricante.

Fricción límite : S e caracteriza por la existencia del contacto de las

asperezas superficiales de los cuerpos sólido y de una fina película de lubricante (del orden de las moléculas). El papel preponderante lo tiene las características físico mecánicas los materiales en contacto y propiedades del lubricante diferente ade l a viscosidad la

 

ESTADOS DE FRICCION ESTADOS Fricción mixta: 1 y 2 cuerpos sólidos, 3 lubricante, 4 asperezas en contacto

•

Fricción Mixta: E xisten xisten en las superficies en contacto

zonas donde se produce el contacto de las asperezas (fricción seca o límite) y zonas donde existe la fricción hidrodinámica. Se encuentra ampliamente difundido en la práctica ingenieril y es característica de régimen de trabajo de grandes cargas y velocidades lentas, f = 0,15 ÷ 0,02. 

Fricción 3. Hidrodinámica y 2 cuerpos sólidos; - Película de lubricante. l1ubricante. Fricción hidrodinámica:  Está condicionado a la existencia de una capa o

película de lubricante que separa completamente las superficies de los cuerpos sólidos. está condicionado a la existencia de una capa o película de lubricante que separa completamente las superficies de los cuerpos sólidos

 

Mecanismos del Desgaste FF

 Fmec.  Fadh.

;

f

 f mec.  f aaddh .

 

Adhesivo. a).- Formación de laMecanismo unión adhesiva. b).- Rotura de la unión (transferencia ( transferencia de material). c).- Producción de partículas de desgaste.

 

Mecanismos del Desgaste

 

Mecánica del contacto. Áreas de contacto. •

la calidad decaracterísticas superficial de Los procesos dependen de como los cuerpos entribológicos contacto; entendiéndose tal las macro y microgeométricas, las propiedades físicas, químicas y mecánicas de las capas superficiales.

•

El número y dimensiones de los puntos de contacto real determina la magnitud y tiempo de interacción de las microirregularidades superficiales, la magnitud de la presión real y por lo tanto el carácter deformacional de las capas superficiales, todo lo cual influye en la magnitud de la fricción y el desgaste. desgaste . La mecánica del contacto se ocupa del estudio de los puntos de contacto, su estado tensional y deformacional ; lo que constituye la base para el análisis

de los procesos superficiales que se producen durante el movimiento relativo de los cuerpos en contacto.

 

Macro y microgeometría. •

Las macro yempleados tecnológicos microdesviaciones en la elaboración se deben de lasa piezas los procesos y a los efectos de la explotación a explotación a que se ven sometidos los elementos de máquinas. •

  •

•

Macrogeometría: Dimensiones y forma de los cuerpos. Macrodesviaciones de forma: Se deben al desgaste de la máquina

herramienta, fijación incorrecta de la herramienta de corte, régimen de elaboración incorrecto, deformaciones  deformaciones  del sistema máquina -soporte - herramienta ( MSH ), tensiones térmicas y residuales, residuales , noelpresentan regularidad regularidad    a1000  lo largo de las piezas; la relación entre paso y la altura S/H> . Todo lo anterior trae como efecto la conicidad, ovalidad, convexidad, concavidad , etc. 

 

Microgeometría  

Ondulaciones.

 

Rugosidades.

•

•

Las ondulaciones tecnológicas se deben en lo fundamental a vibraciones  de baja frecuencia del sistema insuficiente rigidez y vibraciones  máquina-soporte-herramienta ( MSH  MSH  ). Son irregularidades que se repiten periódicamente de forma regular, la relación paso - altura 50 < S / H < 1000. Las rugosidades superficiales o asperezas se deben a la geometría de la herramienta de corte, el desgaste de la misma, vibraciones del sistema MSH, del régimen de elaboración empleado, a las propiedades del material de la herramienta y de la pieza. Son irregularidades con S/H < 50.

 

Perfilograma Superficial.

•

•

•

Desviación media aritmética ( Ra ): Es el valor medio de la distancia del perfil efectivo o real a la línea l ínea media. Altura máxima de las microirregularidades ( Rmax): Es la distancia entre la línea del perf perfilil de las crestas ( A1, A2 ) y la línea de los valles ( B1,B2 ). Altura de la microirregularidades en 10 puntos. (Rz ): ):Es Es la altura media de las cinco crestas más altas y los cinco valles más profundos.

 

Perfilograma Superficial

•

•

•

Altura máxima de la cresta o valle) (Rp): Es la altura desde la línea media al punto más alejado de las ccrestas restas y valles. Radio medio de curvatura de las crestas (R):Este (R): Este se determina como promedio de los radios de las cinco crestas más altas en los límites de la longitud base. Entre los parámetros de la microgeometría superficial se pueden utilizar las siguientes relaciones aproximadas:  Rmax  6 Ra

Rp  3 Ra. Rq  1.25 Ra 

 

Grados de acabado. Rugosidad superficial. G.A

  Ra ( m)

 

100 10

 

50

3   6 80   100 32   40   50 16   20   25 8.0   10.0   12.4 4.0   5.0   6.3 2.0   2.5   3.2 1.0

          

   1.60 1.25

  

25 12.5    

6.3 3.2 1.6

                   

Rz (m)

 

G.A

  Ra ( m)

250 320 400 125 160 200 63 80 100 32 40 50 16 20 25 8.0 10.0 12.5 4.0

 

0.8

0.50   0.63   0.80 0.25   0.32   0.40 0.125   0.160   0.200 0.063 0.080   0.100 0.032   0.040   0.050 0.016   0.020   0.025 0.008

    

                 

2.0 2.5 3.2 1.0 1.25 1.60 0.50 0.63 0.80 0.25 0.32 0.40 0.125 0.160 0.200 0.063 0.080 0.100 0.032

   0.010 0.012

  

0.040 0.050

5.0 6.3

0.4 0.2    

0.1 0.05 0.025

  0.012

Rz (m)

         

 

Grados de acabado de superficies planas de rotación por distintos métodos de elaboración  Método de   Elaboración   Torneado -Desbastado -Afilado -Pulido

   Acabado Grado de

  Método de elaboración

   Grado de acabado

     

Fresado con fresa normal -Desbastado -Afilado

     

25 - 6.3 2.5 - 1.6 1.6 - 0.4

25 - 6.3 2.5 - 1.6 1.6 - 0.4

-Pulido Rectificado cilíndrico y plano  -Desbastado  -Afilado

 Taladrado ---------------------- Barrenado -Desbastado

  50 - 12.5 ----------------------  2.5 - 6.3

 -Pulido

-Afilado

  1.25 - 3.2

Fresado con fresa cilíndrica - Desbastado

 

  6.3 - 2.5

Mandrinado -Desbastado -Afilado

- Afilado

 

6.3 - 1.5

-Brochado

  6.3 - 0.8

     

6.3 - 1.6 1.6 - 0.4 0.8 - 0.2

50 - 12.5   12.5 - 3.2

 

Parámetros geométricos de las irregularidades Método de elaboración Rectificado interior  acero H.fundido Rect. cilindrico acero H.fundido Rectificado plano acero H.fundido Cepillado acero Pulido acero Esmerilado plano acero

Grado de  Acabado   3.2   0.4 3 .2   0.8 1.6   0.4 3 .2   0.4   6.3   0.4 3 .2   0.4

 

12.5 1.6 0 .8   0.2   91   0.05  

Esmerilado cilíndrico    0.025 0.2 acero

 

 

Ho m 4.5 0.6 3 1 3 0.75 7.5 0.5 13 1.2 4 0.8

                       

Ro mm 10 80 5 400 10 25 10 100 15 50 20 80

           

6 2 1.5 0.3 0.35 0.10

           

  

0.15 0.05

  

 

                 

 

  So / Ho                        

100 1350 20 450 165 400 80 1850 100 700 200 800

10 30 10 25 5 10

           

200 250 200 500 300 600

2.5 10

 

400 700

 

Parámetros de las ondulaciones longitudinales. Método de elaboración

Grado de acabado

  

Rectificado acero

  3.2   0.4

Hierro fundido

   Mm So

  mm Ro  

12   1.25

   

2.4 3.5

30   350

  3.2   0.4

   

9 1.3

   

1.8 2.3

  40   200

Cepillado acero

  12.5   1.6

   

12 1

   

5 1

  40   100

H.fundido Fresado cil.

  12.5   12.5

 

40

 

1.7

 

5

acero

  3.2   12.5   3.2   0.2   0.1

       

1.5 30 7.5 0.50 0.25

         

3.4 1.8 2.5 1 1.5

         

45 10 60 150 850

H.fundido Esmerilado plano acero

o H m

12

1.65

20

 

Contacto Macrogeométrico.

• •

•

Área nominal de contacto (An) Macrogeometría. Área real de contacto ( Ar) Microgeometría a nivel de asperezas ). Los puntos reales de contacto ocupan como c omo máximo del 20 - 30 del área nominal de contacto.  Área de Contorno (Ac) Microgeometría a nivel nivel de ondulaciones)

 

Área nominal superficies planas

 An   b.l   Pn  P n

 Fn  F n



b.l 

   .d   

2

 An 

4

 Pn 

4 Fn 2

 .d 

 

 Área nominal de contacto en superficies curvas.

•

•

•

•

•

•

 An = d. b pn = Fn / An m1 = 0.08 - 0.06 lg ( E 2 / E1 ) m2 = 0.20 + 0.21 lg ( E 2 / E1 ) no = 904 10-6 ( E2 / E1 )3 + 0.014 ( E2 / E1 )2 - 0.062 ( E2  / E1 ) + 0.55 n = m1 1 + m2 2 + no Co = (4/ )(1- 12 ) + (1- 22 ) n .      0117      C  o 

C



0.37   

. 0117

 

 

 Área nominal de contacto en superficies curvas.  

p = Fn / 2r2 b



r 2

 r 1 r 1



  p E2

n           C      1 

d    2.r 2 .  

 

 Área nominal de contacto en superficies curvas.

. 

A n      2 bb1     1   .52  b1   

d 1 2

 

Fn   bE r 

 pmax  0.41 418 8  

 F n E r 

  b

 

 Área nominal de contacto en superficies superficies curvas.

 E red .

 E 1. E 2



2

2

 E 2 1   2

  E    1 1   1





  F  N .  R     b1  1,52   b. E red .    

A n      2 bb 1



r2 r 1

 

0.418

r2



r 1



 pmax



 F n E r 

  .b



 

Tipos de contacto. Clasificación. •

Según la rugosidad superficial.  a).Contacto rugoso - liso.   Se produce cuando R a 2 / R a 1  > 4  5 ó cuando la relación de dureza HB2  / HB1  > 2   3. Para los cálculos se considera las microdesviaciones del cuerpo duro y las propiedades mecánicas del cuerpo blando.   b).Contacto rugoso - rugoso.   Se produce cuando se cumplen las siguientes relaciones:   En este caso se considera la rugosidad superficial y las propiedades de ambos cuerpos.   Ra2  Rq2  HB2  10 4 2  Rq1  Ra  HB 1

1

 

Tipos de contacto. Clasificación. •

  

.- Seg Según ún la cinemá cinemátic ticaa de los los cuerp cuerpos. os.

 

a).a).Pa Parr di dire rect cto, o, cu cuan ando do el cuer cuerpo po de mate materi rial al duro duro se desp despla laza za respecto al cuerpo de material blando. H1 > H2   b).- Par inverso, cuando el cuerpo blando se desliza respecto al

H1 < H2   cuerpo duro. estado tado tensional tensional..    .- Según el es   La definición del estado elástico o plástico en las capas superficiales se define por el conocido Indice de plasticidad. ()

•

0.5  R    E      q   *

       HB     R   Si:   <

*

 E 



 E 1  

E 2

 1         1   22 

0.6 deformación elástica.

2 1

Si:  

> 1.0

  < deformación plástica total. Para polímeros si 1.8 la deformación es elástica, si   >2.6, deformación plástica.

 

Cálculo del área de contorno y real para los contactos elástico y plástico.

  p  Ac   An     

n

Y 

    

1

 p n  Y 

Contacto Elástico

 Ac  c  1       2.1 A  p  Ar      2

c

0.4

   Contacto Plástico. Si p   HB/3. c

    

0.8

 

 Fn

 Ar   HB

 E 

Si pc  HB/3.  Ar  

 Fn  Fn

  HB3 Ac 

 Ac  0.4     Fn  

 

Leyenda •

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• •

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•

•

Ra – Desviación media aritmética. Rq – Desviación media cuadrática. Rz - Altura media media de las irregularidades. irregularidades. Rmax- Altura máxima de las irregularidades. R - Radio de curvatura de las asperezas. Parámetro de Rugosidad superficial.      - Parámetro Rmax= 6.Ra

   R m ax  R.b

Rmax= 1.2 Rz Rq= 1.25Ra.

Secuencia de cálculo para el contacto •

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• •

•

•

•

•

Definición de parámetros geométricos. Definición de las propiedades mecánicas. Método de elaboración y definición de la microgeometría. Cálculo del área y presión nominal. Índice de plasticidad. Tipo de contacto. Cálculo Ac, Pc. Cálculo de Ar y Pr.

1

 

 

Tipos de desgaste •

•

•

•

•

Desgaste adhesivo.- También llamado desgaste por

fricción o entre deslizante, se produce debido a la adhesión molecular los cuerpos en contacto. Desgaste por fatiga. Desgaste debido a causas mecánicas producto de tensiones variables y repetidas. Desgaste abrasivo.- Desgaste mecánico como resultado

de la acción de corte o rayado de asperezas de alta dureza o de partículas abrasivas. Desgaste mecánico  - corrosivo  .Desgaste mecánico acelerado por la acción corrosiva del medio. Además de los tipos antes mencionados también se incluye con frecuencia los siguientes tipos: desgaste erosivo; oxidación - dinámica (fretting); cavitación.

 

Incidencia industrial del desgaste. •

•

•

•

•

•

Abrasivo ........................ 50 % Adhesivo ....................... 15 % Erosivo ........................ 8 % Mecánica - corrosivo ..... 5 % Oxidación dinámica ...... 8 % Fatiga y otros ..................14 %

  Factores que inciden en su tipo y magnitud. •

Condiciones de explotación o de operación : carga aplicada; velocidad;

temperatura; tipos de movimiento; tipo de fricción; recorrido de •

•

fricción ; tiempode delos trabajo. Características cuerpos en contacto : Materiales; composición química; dureza; dimensiones y forma; microgeometría superficial; microestructura. Características del medio: Humedad; atmósfera corrosiva; presencia de partículas abrasivas; propiedades de los lubricantes lubricantes,, etc. 

 

Desgaste Adhesivo (desgaste por frotamiento; rayado adhesivo; gripado o agarrotamiento). Sobre la unión adhesiva tiene influencia: influencia : la compatibilidad metalúrgica de las metales o solubilidad, que facilita facilita la formación de de aleaciones; aleaciones; las condiciones de fricción (seca, lubricada); la microgeometría superficial, la magnitud de la carga externa aplicada; la relación de dureza de los materiales en contacto.

 

Tipos. Desgaste adhesivo en caliente.

•

•

•

Se caracteriza por una distribución uniforme de rayas o surcos poco profundos. Es característico de elementos de máquinas que trabajan a altas velocidades de de deslizamiento; slizamiento; para los aaceros ceros V > 3 - 4 m/s; grandes presiones de contacto, contacto, alta tem temperatura peratura superficial t = 1500°C en los metales. El surgimiento de la unión metálica está relacionada con el calentamiento, ablandamiento, deformación y surgimiento de superficies nuevas.  

 

Desgaste adhesivo en frío

•

La ausencia de capas de óxido óxido superficial; superficial; superficies pobremente lubricadas o la existencia de superficies limpias sin contaminantes  favorecen la existencia del desgaste adhesivo en frío o profundo. metales  en contacto la igualdad de microestructura En el caso de metales  superficial; de componentes químicos; no existencia de un; gradiente positivo hacia el interior de las la propiedades mecánicas

son factores que propician este tipo de desgaste. Es característico de elementos de máquinas que trabajan a bajas velocidades de deslizamiento ( para acero V < 1 m/s ), presiones que superan el límite de fluencia superficial; temperaturas  de trabajo t < 100 °C, deformaciones plásticas superficiales.

 

Control del desgaste adhesivo   Uno de los métodos más empleados es la determinación del  3 . HB . I h ,  h coeficiente de desgaste.  Ih  Sf    K    p n

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•

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  •

•

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•

HB - Dureza del material. En casos de diferentes durezas entre los dos cuerpos se toma la de menor dureza ya que es donde se producirá el desgaste mayor.

Ih. -Intensidad lineal del desgaste; d esgaste; del material en análisis. pn - Presión nominal. h- Desgaste lineal (mm). Sf-  Recorrido  Recorrido de fricción (mm). Las experiencias de Rabinowicz permiten para un par de rozamientos dado, evaluar: - Si es necesario sustituir uno de los materiales. - Si Si es  es recomendable cambiar el lubricante lubricante.. - Si se necesita modificar las condiciones de lubricación y/o enfriamiento. - Si es necesario mejorar las condiciones de carga y de movimiento relativo.

 

Control del desgaste adhesivo   De acuerdo a los valores de K  se  se establece: -6

-8.

Desgaste por pulido  K = 10 o  - sea 10  materiales . Materialescon de a).-alta incompatibilidad metalúrgica muy poca tendencia a la adhesión.  b).- Desgaste moderado  K = 10-4 - 10-6. .Características

de superficies bienadhesión lubricadaso y semicompatibles. materiales con cierta tendencia a la Se corresponde con el desgaste adhesivo en caliente. K = 10-2 - 10-4 c).- Desgaste severo   

Se presenta en superficies limpias o pobremente lubricadas; en pares de materiales con alta compatibilidad metalúrgica; o sea alta tendencia a la adhesión. Se corresponde con el desgaste adhesivo en frío. 

 

Control del desgaste adhesivo

•

•

•

Estado de las superficies

Materiales compatibles

Materiales semicompatibles

Materiales incompatibles

Limpias Contaminadas o

6×10-2 - 4×10-3 4.10-3 - 6.10-4

4×10-3 -2.10-4 2.10-4 - 5.10-5

6.10-4- 4.10-5 4.10-5 - 5×10-6

pobre lubricación Bien lubricados

6×10-4 - 6×10-5

5×10-5 - 5×10-6

5× 10-6 - 6×10-7

En el caso de los pares metal - no metal o no metal- no metal se establece: Para superficies seca K = 4×10-5- 6.10-6  Para superficies lubricadas K = 6×10-6- 7.10-7

 

Desgaste adhesivo

 

Otras consideracion consideraciones es •

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•

•

•

•

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1.- Par de rozamiento.- Hierro fundido perlítico - Hierro fundido perlítico se compatibilidad;; pero deben analizarse como consideran materiales con alta compatibilidad un par contaminado o lubricación deficiente ya deficiente ya que el grafito contenido en el hierro fundido actúa como un lubricante sólido. 2.- El par de razonamiento.- bronce fosfórico - acero duro se puede consideran como materiales con cierta tendencia a la adhesión. adhesión . fundido,, se puede 3.- Par de razonamiento aleaciones de aluminio - hierro fundido considerar como materiales semicompatibles y con lubricación deficiente a pesar de trabajar en condiciones de fricción seca. 4.- Par de rozamiento.- bronce al plomo (15% Pb)- acero al carbono. adhesión.. consideran como materiales con baja tendencia a la adhesión 5.- Par de rozamiento.blando . aceroablando - acero adhesión materiales con alta tendencia la adhesión. . blando.

Se

Se consideran como

templado.. En la práctica se 6.- Par de rozamiento.- acero templado - acero templado comportan como materiales semicompatibles. 7.Partendencia de rozamientos.rozamientos .- babbit. – acero acero.. Se consideran como materiales con cierta a la adhesión. adhesión

 

Recomendaciones Desgaste Adhesivo.  

El modelo establece que el desgaste puede ser controlado en una magnitud menor a la altura de las asperezas limitando el esfuerzo cortante máximo (   MAX. ) que ocurre en las las cercanías de la superficie superficie a una fracción fracción (  ) del limite de fluencia a cortante (   Y ) para un número determinado de pases N. 

  MAX .       .  Y 

•

•

Para N = 2000,    = 0,54  0,54     Si el sistema tiene baja susceptibilidad a la sistema tiene alta susceptibilidad susceptibilidad transferencia de material,   = 0,20     Si el sistema a la transferencia de material, Para el caso de la lubricación de película gruesa o fluida   = 1,00. 1 b 2  f   Para un número de pases   mayores valor de 1 la l afracción frac ción 2000   9a 2000 el valor  q 0      N       MAX .  .  calcula según:   3   a  N 

 

(  ) se

 

Contacto esférico   MAX . •

. q0  K .       1  2   f        

q0

 2  F N     l .b

  K=3

Para dos rodillos.

 

Recomendaciones Desgaste Adhesivo •

Para superficies con contacto ajustado

  MAX .  K .q  0  . 0 ,5

2



q0  

2

f  

 F  N   A P 

Donde Ap, área proyectada. •

El límite de fluencia a cortante •

•

 

 Y 

  M   1,4    1,5 H 

La tensión tensión tangencial máxima se produce para una profundidad profundidad .  

 z  MAX  .     0,786 b

Para que lo anterior sea satisfecho el espesor de las capas para elementos en contacto hertziano  MIN. = 2b o 2a  (según ssea ea el caso, cilindro, esfera, etc) .

  Desgaste Abrasivo 

 

•

Definición:  Como desgaste abrasivo se entiende la Definición:  modificación de las capas superficiales de los cuerpos sólidos producto de la acción de asperezas o partículas libres de alta dureza al deslizarse sobre otra superficie de menor resistencia mecánica. 

 

TIPOS DE DESGASTE ABRASIVO ABRASIVO Desgaste contacto - abrasivo.- (PLOUGHING OR CUTTING WEAR) Producido por las asperezas superficiales al penetrar y deslizarse conocido también como desgaste por partículas fijas. sobre el otro cuerpo; Desgaste contaminante - abrasivo.- Producido por la acción de partículas libres, proveniente de diferentes medios; las cuales deforman plásticamente y/o cortan las capas superficiales.

Modelo del desgaste contacto – abrasivo.  1. Asp Asper ereza eza de dell cue cuerpo rpo d duro uro.. 2. Cue Cuerp rpo o bla blando ndo.. h - penetración R - radio de la aspereza El desgaste contacto - abrasivo abrasivo se produce si si se cumplen cumplen las dos siguientes condiciones de relación de dureza de los cuerpos:

H1 H2

 1,3

y

H1  H 2

 150

 

ABRASIVOS EN UNIONES DE ROZAMIENTO. DESGASTE ABRASIVOS (ABRASIVO DE TRES CUERPOS.) El desgaste abrasivo en uniones de rozamiento es característico de elementos de máquinas como cojinetes de deslizamiento y de rodamiento; transmisiones dentadas abiertas; reductores de velocidad; sistema pistón-cilindro; etc. Debido a la presencia de partículas abrasivas que provienen del medio o que son producto del desgaste del mismo par de rozamiento. También es característico de equipos de molinos de ma materiales teriales de la minería, la construcción ,etc. Este tipo de desgaste también se conoce como abrasión de alta presión ( grinding wear) . La magnitud del desgaste abrasión de tres cuerpos depende de la relación de dureza de los materiales y el abrasivo.

Modelo: elemento - abrasivo - elemento (E-A-E) 1 y 2 elementos del par de rozamiento.3. abrasivo

 H m  H a

 1,3 1,6  No hay desgaste abrasivo.

 H m  H a 1,3





0,5  0,6 Se  produc  produce e el  desgaste abrasivo.

 H m

 0,5  Hay que evaluar  la  situacion.

 H a  

CONTRO CONTROL L DEL DESGASTE ABRASIVO ABRASIVO •

De acuerdo a Rabinowicz se distinguen desde el punto de vista cualitativo 2 tipos de desgaste abrasivo:

1.- Desgaste abrasivo severo K = 10-1 ¸ 10-3 -4

-6

2.- Desgaste abrasivo moderado K = 10  ¸ 10 En correspondencia con el grado de libertad l ibertad de las partículas abrasivas plantea. 1.- Desgaste abrasivo entre dos cuerpos ( masa abrasiva) K = 2.10-1 ¸ 7.10-3  2.- Desgaste con alta concentración de partículas abrasivas libres K = 7.10-3 ¸ 5.10-4 3.- Desgaste con baja concentración de partículas •

-4

abrasivas libres K = 5.10  ¸ 10

-6

 

Factores a tener en cuenta •

-

Los factores que hacen disminuir el desgaste abrasivo son: Aum Aument ento o de la d dure ureza za d dee llas as cap capas as sup superf erfici iciale aless d dee llos os elementos de máquinas. Inc Increm rement ento o d del el co conte ntenid nido o d dee ccarb arbono ono y de de car carbur buros os duros. Con Contro troll de la rrela elació ción n de dur dureza eza met metalal-abr abrasi asivo vo ((Hm/ Hm/Ha Ha)) Dis Dismin minuci ución ón del tam tamaño año de los par partíc tícula ulass abra abrasiv sivas as Ev Evita itarr la ent entrad radaa de par partíc tícula ulass aabra brasiv sivas as pro proven venien ientes tes del medio.

- Fac Facili ilitar tar la ssali alida da d dee la lass partí partícul culas as abra abrasiv sivas as p prod roduct ucto o del desgaste. - Se Sele lecc cció ión n ad adec ecua uada da d del el ááng ngul ulo o de aata taqu quee de las las partículas en dependencia de los materiales utilizados. - Disminución de las cargas y velocidades.

 

DESGASTE EROSIVO. La presencia de partículas duras en un flujo produce el desgaste de los elementos de las bombas, turbinas, etc. El desgaste erosivo (erosión) se produce en condiciones de impacto de las partículas abrasivas contra la superficie de los elementos.

La influencia de la velocidad de impacto en el desgaste erosivo se ha investigado ampliamente llegándose a la siguiente relación empírica

m

W h     K .V 

 

DESGASTE EROSIVO  •

La resistencia al desgaste erosivo (WD) factores.

  • • • • • • •

•

W  D

depende de diferentes

 (t , d , K      f   , K ,V ,  , x, Q a )

donde: t - du dura raci ción ón de dell tiem tiempo po.. d - dimensione dimensioness de las partículas partículas.. Kf -coeficiente que caracteriza la forma de las partículas abrasivas. K - coeficient coeficientee de de la la dureza dureza Hm/Ha. Hm/Ha. v - velocidad de las las partículas partículas abrasivas en el momento en el impacto. a - ángulo de choque (ataque). x - coeficiente que considera la variación de las propiedades mecánicas de los materiales debido a la acción físico-química del medio. Qa Cantidad de partículas abrasivas.

 

DESGASTE EROSIVO. Existe influencia directade delataque ángulodesde de choque (ataque) desgaste erosivo. Con el una aumento del ángulo 10° hasta 90°, en se el varia el carácter del rozamiento entre las superficies y las partículas abrasivas. El carácter de variación de la resistencia al desgaste con el ángulo de ataque depende del tipo de material

 

DESGASTE EROSIVO •

Con el aumento de la concentración de partículas abrasivas (Qa) en el fluido, se produce un incremento lineal del desgaste.

•

•

Con el aumento del ángulo de ataque y la velocidad de impacto la influencia de la forma de las partículas abrasivas en la intensidad del desgaste se disminuye a causa de que se incrementa la posibilidad de la fractura de las partículas. Para materiales como la goma la mayor resistencia al desgaste hidroabrasivo se logra para bajas velocidades del flujo de partículas abrasivas ya que en estas condiciones una gran parte de la energía del impacto se consume en la deformación elástica del material. Durante el aumento de la velocidad de impacto el efecto de disipación de la energía paulatinamente disminuye llegando el material a comportarse como un material frágil y casi toda la energía de impacto se gasta en la destrucción de las capas superficiales. 

 

FATIGA POR CONT CONTACTO ACTO O SUPERFICI SUPERFICIAL. AL. (SURFACE FATIGUE) La variación de tensiones en las capas superficiales trae por consecuencia la aparición del fenómeno de la fatiga superficial; él cual es similar a la rotura por fatiga volumétrica de los cuerpos sólidos. Hay dos mecanismos básicos de la fatiga superficial, uno resultante de grietas o fisuras iniciadas en la superficie y el otro de fisuras iniciadas dentro de la masa del material frecuentemente en inclusiones, vacíos, partículas de carburos, etc .

producen la fatiga de las capas superficiales o a defectos superficiales producto del proceso de elaboración mecánica o de montaje. El desprendimiento de las partículas de desgaste es en forma triangular

La fatiga que se origina desde una grieta subsuperficial ; ocurre debido a alta concentración de tensiones en puntos o planos defectuosos o debido a la superación del limite de rotura a cortante por los esfuerzos tangenciales máximos. Estas grietas se propagan paralela a la superficie hasta brotar en

mostrando planos de salida escalonados.

la misma.

Los grietas superficiales se deben a las grandes tensiones de contacto que .

 

TIPOS DE DESGATE POR FATIGA. •

DESGASTE POR FATIGA DE ALTO NÚMERO DE CICLOS 

El desgaste por fatiga de alto número de ciclos se produce cuando las deformaciones en la capa superficial son elásticas 

     . f   .. p r 

nc

  rot .  

         

n E= 105 - 108  ß - Coeficiente que se toma igual a:   = 2 materiales de aalta lta elasticidad. elasticidad.   = 3 materiales frágiles.   f coeficiente de fricción... La intensidad lineal del desgaste varia en el rango de Ih = 10-13 – 10-7 

t 

 

TIPOS DE DESGASTE POR FATIGA. Este tipo de desgaste se presenta •

para deformaciones plásticas en los puntos de contacto de las asperezas 

DESGASTE POR FATIGA DE BAJO NÚMERO DE CICLOS. CICLOS. 

 E  t   n p    E f  

t

La deformación unitaria a tracción (Et) se obtiene de los diagramas tensión-deformación para 5 %

Ih = 10-7 – 10-5. n p = 10² - 104.

elongación. La deformaciónde unitaria producto de la fricción (Ef ) se calcula: Ef  = C* f* tg   donde C = 0.01 - 0.05;  = 5 - 10° ángulo de inclinación de las

asperezas.  

Control del desgaste por fatiga. Cálculo a contacto en la superficie.   eq.S   [ H ]   eqS 



  



 H 

  

0

. T 

 

  2  0,16     3. f        H 

 

n



T 

n=1,1-1,3 Coef. seguridad



 N b 9

 N C   N b

 0 = 20. HRC

 41   0,1  HRC   40 .10  

7

Cálculo a contacto en profundidad.

 eq. P    0,56    0 ,896 f  2    H  .    0 P . T 

  H . P   

n p

      100.     oP   1,51  20      0,01  HB        R . HB    7

 T 

 16

 N b  N C 

 N b

  0,0133     HB  110

 

•

 Ejemplo. Se desea determinar el es pesor de la capa cementada de los dientes de un engranaje. Como se conoce se pueden obtener durezas con este tratamiento superficial (HRC 60-70) y espesores de 0,5 a 2 mm. (Figura 1) El engranaje esta sometido a una carga normal FN  6000 N. Se conoce que el radio de curvatura puntoque de análisis mm., el   R    5trabaje espesor del diente es de lreducido =20 mm.en Seeldesea la transmisión 10.e7 ciclos.   1     12    1   22  q    F N  C 0   b 1,6   q.C 0 .  R l   E 1  E 2 min. =

(2 - 3) Z MAX  MAX   . = 0,29 a 0,44 mm = 0,5 mm.

 eqS    0,16      3. f         H     0 . T 

     H 

n

2

  eq.S  = 1 084 Mpa.

 0 0  = 20. HRC. = 1000

Coeficiente de durabilidad 

 T  

9

 N b  N C 

Coeficiente de seguridad n seguridad n = 1.1 – 1,2.

= 0,146 mm.

q   H   0,798 C 0 .   R

Lubricación mixta mixta coeficiente de fricción (f  =  = 0,35).  

 z  MAX  .    0 ,786.b

H  2076 MPa

Mpa. Mpa.   7  N b  41   0,1  HRC   40  .10

[

H ]

= 1 111  Mpa. Mpa.

Se cumple la condición de eq.S = 1084   [   H ] = 1111Mpa. Lo que significa que la superficie superficie de los dientes de las ruedas trabajarán el núme número ro de ciclos establecidos sin aparición de las grietas.

 

Comprobación de la resistencia a la fatiga en la profundidad del diente, considerando que el material base sobre el que se realizo la cementación tiene una dureza HB 300.  En este caso la tensión equivalente se calcula por la siguiente expresión

eq.P = 1383 Mpa.

 eq . P     0,56    0,896 f        H  .  

2

 

La tensión permisible en la profundidad se determina por la siguiente expresión

      oP 

 H  . P 



 



R  en mm.  mm.  y HB Kg. / mm2  y   R  Donde::   y Donde

min. = 

 Realizando los cálculos cálcul os se tiene

   0  P  .  T 

n  p

Como se aprecia

eq.P =

1383 Mpa   [[

oP

= 660 Mpa.

 El coeficiente de durabilidad durabil idad en este caso es:  

   100.      1,5 1  20    0,01  HB           R . HB   

El coeficiente de seguridad nP = 1,2 – 1,3. Efectuando las sustituciones se tiene  tiene   [

0,5 mm.

 N   T  

16

 b

 N C 

 N b

    0,0133   HB  110  

7

 ] = 608 Mpa 

HP 

 ].

HP 

 

 El resultado obtenido significa signi fica que las grietas grieta s surgirán en las subcapas o sea por debajo de la capa del recubrimiento .

 En estos casos se recomienda aumentar el e l espesor de la capa endurecida o la l a dureza del metal base o ambos a la l a vez  para lograr que la transmisión t ransmisión trabaje el ttiempo iempo de vida establecid establecidoo Tomando un espesor de la capa cementada   = 2 mm.  Se tiene que la tensión permisible   es  [   HP   ] = 1436

Mpa  

eq.P  

= 1383 Mpa 

 superior la tensión tensi ón

 

equivalente.  Quedando asegurado de esta forma desde la etapa de diseño la no aparición de la fatiga superficial hasta después del numero de ciclos de vida útil   establecidos.

Hay presencia de partículas abrasivas.  

 ABRASIÓN

   

DE TRES CUERPOS

SI

Dos cuerpos rozando entre si y con presencia de abrasivo.   Un cuerpo con abrasivo.

Seco

Liquido

Carga Pesada Ligera 

DESGASTE EROSIVO

NO NO No hay desgaste

 Abrasivo desliza e Impacta

ABRASION DE

SI

Movimiento continuo

RAYADO PROFUNDO.

Dos superficies sólidas rozando entre si.

 Movimiento

 

oscilante

DESGASTE DESLIZANTE   ADHESIVO   FATIGA   LUDIMENTO

 ABRASION DE  BAJO ESFUERZO

  FRETTING

 

SULFIDIZACION.   SULFOCIANURACION SELENIZACION.. SELENIZACION

RECUBRIMIENTOS GALVANICOS

DESGASTE ADHESIVO CARBURIZING NITRURADO

 EMPLEAR MATERIALES MATERIALES

RECUBRIMIENTO POR SOLDADURA

DIFERENTES (NO COMPATIB COMPATIBLES LES )

 ELEMENTOS ALEANTES (CROMO,

VANADIO, VANADIO, NIOBIO, TUGSTENO, MOLIBDENO) AYUDAN AYUDAN LA RESISTENCIA AL DESGASTE ADHESIVO.

SELECCIÓN CORRECTA DEL LUBRICANTE Y EL MÉTODO DE LUBRICACIÓN.  PARA DOS SUPERFICIES DE ACEROSUS DUREZAS

HB  550  750.

 

TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS: CEMENTACIÓN, NITRURACIÓN, NITRURAC IÓN, CIANURACIÓN, BORADO.

DESGASTE ABRASIVO DE CUERPOS

TRES

RECUBRIMIENTO RECUBR IMIENTO POR

RECUBRIMIENTOS RECUBRIMIENT OS POR

SOLDADURA O RECARGUE.

METALIZADO-

 EL

REQUERIMIENTO DOMINANTE ES LA DUREZA .

 EL

INCREMENTO DE DUREZA SOLO ES EFECTIVO SI Hm  (0,5 0,6) Ha.

 SI

Hm  (1,3 1,6) Ha. NO SE LOGRA INCREMENTO DE LA RESISTENCIA AL

DESGASTE.

 EL

ESPESOR DEBE RELACIONARSE CON EL DESGASTE PERMISIBLE.

 

DESGASTE POR EROSION

RECUBRIMIENTO POR RECUBRIMIENTO SOLDADURA

TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS

TRATAMIENTOS TERMICOS SUPERFICIALES  A pequeños ángulos de impacto y baja velocidad la dureza es el criterio fundamental.

    A pequeños ángulos de impacto y alta velocidad se exige dureza con adecuada ductilidad.   Para

grandes ángulos de impacto y baja velocidad el requerimiento básico es la elasticidad.

 

Para grandes ángulos de impacto y alta velocidad debe existir resistencia con

ductilidad para permitir deformaciones repetidas sin pérdida de metal. Recordar comportamiento del material como dúctil o frágil.  

DESGASTE POR FATIGA FATIGA

ENDURECIMIENTO POR ENDURECIMIENTO DEFORMACIÓN PLÁSTICA EN FRÍO.

NITRURACION.

ENDURECIMIENTO POR INDUCCIÓN.

 EVIT  EVITAR AR

MATERIALES MATERIALES CON INCLUSIONES .

 NO

UTILIZAR LOS RECUBRIMIENTOS SUPERFICIALES CON INTERFASE ENTRE EL RECUBRIMIENTO Y EL SUSTRATO. EVITAR EL CASE HARDENING Y GRANOS GRUESOS.  ESPESOR DEL RECUBRIMIENTO SUPERIOR A 3 VECES LA REGION DE TENSION

TANGENCIAL MAXIMA.