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Desgaste por adhesin en chumaceras
18 de diciembre de 2012
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DESGASTE POR ADHESIN
Robinson Gonzlez. 0540600 Estudiante de Ingeniera Mecnica,
Universidad del Valle
Santiago de Cali, 2012
RESUMEN
El desgaste es la principal causa que provoca remocin de
material, por lo cual la industria obtiene grandes prdidas
econmicas. En este trabajo se hace nfasis en el desgaste por
adhesin, en el cual al haber movimiento relativa bajo una carga, se
adhieren partculas debido a la fuerza de atraccin atmica de la
superficie, se mostrara este tipo de desgaste en el par tribolgico
chumacera-eje, y se har una discusin de un estudio a nivel
regional. Palabras Claves: Desgaste por adhesin, chumaceras,
tribosistema
1. INTRODUCCIN
La Tribologa, es la ciencia que estudia los fenmenos de friccin,
desgaste y lubricacin de dos superficies en movimiento relativo.
[1] Un sistema tribolgico, Es un sistema natural o artificial de
elementos materiales, por lo menos dos, donde se presenta contacto
mecnico entre las dos o mas superficies, generando as friccin y en
casos extremos, el desgaste. [2] La Friccin, es la resistencia a
movimiento cuando dos cuerpos estn en contacto durante movimiento
relativo entre ellos. [3] El desgaste, se define como la causa
principal que provoca remocin de material y perdida de propiedades
mecnicas, una reduccin en el desgaste puede resultar en un
considerable ahorro econmico. La friccin es la principal causa de
desgaste y disipacin de energa, si la friccin es controlada, habr
un gran ahorro de costos, la lubricacin es un mtodo efectivo para
controlar el desgaste y reducir la friccin. Aun no es posible
plantear una clasificacin nica de los diferentes tipos de
desgaste.
Los ms aceptados por la comunidad cientfica son: Abrasin,
Adhesin, Corrosin, Erosin, Fatiga. En este trabajo ser nfasis en el
desgaste por adhesin, se muestra el desgaste adhesivo en el par
tribolgico chumacera-eje, se hace una breve divulgacin de dos casos
de desgaste en este tribosistema. 2. MARCO TERICO
2.1 Desgaste por adhesin Cuando superficies limpias, se oprimen
bajo carga una con la otra, algunas asperezas en contacto tienen
tendencia a adherirse recprocamente por causa de las fuerzas de
atraccin entre tomos superficiales. El desgaste por adhesin asume
que el material removido es el resultado de la interaccin mecnica
entre las superficies rugosas en el rea
real de contacto. Vase Figura 1. Este desgaste es el segundo ms
comn en la industria.
Figura 1. Desgaste por adhesin
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El enlace por adhesin en las asperezas podr ocurrir nicamente si
el material est limpio y libre de contaminantes. Una pelcula de
lubricante asla efectivamente los dos materiales, y puede evitar la
adhesin hasta entre materiales idnticos. Un factor importante que
afecta la adhesin es la compatibilidad metalrgica entre los
materiales en contacto. Se define como compatibilidad metalrgica a
la alta solubilidad mutua o la formacin de compuestos intermetlicos
entre dos materiales. 2.2 Etapas del desgaste Durante el
deslizamiento seco de sistemas metalmetal, se distinguen tres
etapas de desgaste.4
Figura 2. Curva tpica de desgaste vs tiempo
Etapa I. Running-in, mejor conocida como etapa de asentamiento;
no hay equilibrio en el proceso, representa solo una pequea porcin
del tiempo total de operacin del par deslizante y se caracteriza
por seguir una funcin exponencial. Etapa II.Es la etapa ms larga y
estable del proceso y se caracteriza por su rgimen de desgaste
lineal. Etapa III. Es la etapa de desgaste catastrfico; el rgimen
de desgaste es de incremento constante y se asume el volumen de
material removido de la superficie como partculas de desgaste.
2.3 Mecanismos de desgaste adhesivo Scuffing Coeficientes de
friccin muy altos que se encuentran en las superficies limpias bajo
una carga tambin puede ocurrir en la prctica contactos mecnicos
cuando hay una descomposicin o ausencia de lubricacin. Los
cojinetes de deslizamiento y los dientes de engranaje son
susceptibles a este problema. Vease figura 3.
Figura 3. Adhesin entre los engranajes
Shearing and cracking
Figura 4. Formacin de una partcula transferida por
adhesin
En la figura 4 el material ms blando o con la aspereza ms aguda
se deforma en una serie de bandas de cizallamiento para alojar el
movimiento relativo. No hay deslizamiento a lo largo de la lnea de
contacto aspereza. Cuando cada banda de cizallamiento alcanza un
cierto lmite, una grieta se iniciada o un progreso grieta existente
hasta una banda de
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cizallamiento nuevo se forma. La grieta se extiende a travs de
la aspereza y, finalmente, una partcula se separa de la aspereza
deformada. En la figura 5 se muestra un contacto entre asperezas
que no produce remocin de material, existe una deformacin plstica
extensiva.
Figura 5. Modelo alternativo de deformacin en el
contacto por asperezas
Ludimiento Si los materiales en contacto son metales y
compatibles, y estn extremadamente limpios, las fuerzas de adhesin
sern elevadas, y la friccin por deslizamiento puede generar
suficiente calor localizado como para soldar asperezas, a este
efecto se le llama soldadura en frio. Se conoce como ludimiento al
efecto que describe una situacin de soldadura en fro incompleta.
(Ver figura 6), donde, por cualquier razn (contaminacin
principalmente), las piezas no se sueldan completamente. Pero
porciones de la superficie s se adhieren causando que se transfiera
material de una pieza a otra, en largas rayas visibles a simple
vista.
Figura 6. Ejemplos de transferencia de pelcula metlica por
ludimiento (a) Pelcula de latn transferida sobre almina y (b)
Pelcula de aleacin de Al-Si transferida sobre un anillo de pistn
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En general, el mismo material no debe ponerse en contacto contra
s mismo, con excepcin de acero endurecido sobre acero endurecido,
pero otras combinaciones, como aluminio sobre aluminio, deben
evitarse. Grietas superficiales por adhesin En la Figura 7 podemos
ver un esquema de cmo estas fuerzas de adhesin pueden provocar
pequeas grietas superficiales en el material debido a las fuerzas
tangenciales que ocurren durante el episodio de desgaste
adhesivo.
Figura 7. Mecanismo de formacin de grietas sobre superficies
desgastadas por transferencia de partculas endurecidas en fro4
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En cuanto a la mecnica, la fuerza normal oprime recprocamente
ambas superficies, con lo que se producen deformaciones elsticas y
adherencias en los picos de las asperezas.
Ecuacin 1
Esta fuerza es igual al producto de la resistencia a cortante
del material ms dbil, por el rea real de contacto Ar adems de una
fuerza de surco P, que se debe a partculas sueltas que se incrustan
en la superficie, y es despreciable en comparacin con la fuerza
cortante, solo si ambas superficies tienen ms o menos la misma
dureza. 2.4 Modelo de Archard Holm y Archard6 desarrollaron un
modelo en el cual la rapidez de desgaste (W) es proporcional a la
carga normal aplicada (P) e inversamente proporcional a la dureza
del material (H) relacionados a travs de una constante k. Estos
autores obtuvieron una ecuacin de forma simple, conocida como
ecuacin de Archard:
Este modelo, aparentemente muy sencillo, es empleado a menudo en
aplicaciones de ingeniera y ha servido de base para el desarrollo
de modelos ms elaborados que intentan dar una interpretacin ms
amplia a los fenmenos presentes en la interaccin de superficies. 3.
EXPERIMENTACIN El objetivo de los ensayos de desgaste es determinar
el mecanismo por el que ste tiene lugar o para simular las
condiciones prcticas reales y obtener datos tiles sobre el grado de
desgaste y coeficiente de friccin. Es muy importante el control y
medida de todas las variables que pueden influir en el desgaste.
Los aparatos utilizados se llaman tribmetros. Los mtodos
esquematizados en la Figura 8
pueden dividirse en dos tipos: los dispuestos de manera
simtrica, en los que las dos superficies son del mismo material y
experimentan igual grado de desgaste, y aquellos de disposicin
asimtrica en los que, aunque ambas superficies sean del mismo
material, el grado de desgaste ser diferente para cada una de
ellas. Los dispositivos simtricos no son muy usados en el estudio
del desgaste: ejemplos son el dispositivo de dos
discos(ring-on-ring), con contacto a lo largo de una lnea (fig.A),
o con caras enfrentadas (fig.B).Estos dispositivos sern solo
verdaderamente simtricos si se rotan ambos elementos. Los ensayos
asimtricos ms comunes emplean un pin (pequea pieza cilndrica)
presionado contra un disco o superficie plana (figuras C, D y E).
En estos dispositivos el contacto se puede dar en todo el rea de
contacto nominal (conformal contact, figs. G y H) o slo en un punto
o lnea (counterformal contact, figs. I y J). En estos dispositivos
asimtricos el desgaste se mide en uno de los dos elementos,
generalmente la pieza presionada contra el disco o contra la
superficie plana.
Figura 8. Diferentes disposiciones para ensayos tribolgicos.
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Existen normas para estos ensayos que determinan todos los
parmetros para la realizacin del mismo: dimensiones y
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geometra de las probetas a desgastar, cargas a aplicar,
velocidades de deslizamiento. Algunas de estas normas son ASTM G77
(block-on-ring) ASTM G83 (crossed cylinder), ASTM G99
(pin-on-disc), DIN 50324 (sphere-on-disc) y ASTM G98 (rotating
pin-on-disk).
4. RESULTADOS Una de las investigaciones a nivel regional de
gran importancia fue el ESTUDIO TRIBOLGICO EN CHUMACERAS Y EJES DE
MOLINO DE CAA DE AZCAR. Dentro del proyecto de investigacin se dise
y construy un tribmetro de desgaste adhesivo normalizado tipo
bloque anillo, para reproducir las condiciones de operacin de los
molinos de caa y se ensayaron diferentes combinaciones de
materiales para la chumacera: bronce SAE 67 y 64, con diferentes
lubricantes: grasa y aceite. De acuerdo a los resultados obtenidos
se pudo concluir que la mejor combinacin tribolgica fue el par
acero SAE 1045 bronce SAE 64 y aceite como lubricante para los
molinos de caa de azcar.8
Figura 9. Molino de caa de azucar
Figura 10. Desgaste en la Chumacera de Bronce
Figura 11. Guijo del eje desgastado
Figura12. Tribmetro bloque-anillo
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Figura 13. Microscopia electrnica del eje y la chumacera
5. CONCLUSIONES Para prevenir el desgaste por adhesin se debe
procurar tener un rgimen de lubricacin elasto-hidrodinmico, para
que no haya contacto entre las asperezas, asi como disminuir la
perdida de calor por friccion Se recomienda usar materiales
diferentes en el tribosistema con excepcin a aceros endurecidos. En
la investigacin que se realizo en el par tribolgico chumacera-eje,
se recomienda utilizar bronce SAE 304 y aceite como lubricante. 6.
BIBLIOGRAFIA 1 CIPID (1997). Programas de lubricacin y tribologa.
National ResearchCouncil. Canadian Institute for Petroleum Industry
Development. 2 Raymond G. Bayer, Mechanical wear prediction and
prevention, Edit. Marcel Dekker, 1994. USA 3 Suh, N. P., y N. Saka,
Fundamentals of tribology, (MIT, 1980) 4 Sarkar, A. D., Wear of
Metals (Pergamon Press, 1976) 5 Stachowiak, G.W & Batchelor, A.
W. Engineering Tribology. Western, Butterwoth, Heinemann, 2000. 6
ARCHARD, J.F., Contact and Rubbing of Flat Surfaces. Journal of
Applied Phisys. Vol 24, number 8, August, 1953. p 981-988. 7
Hutchings, Tribology: Friction and wear of engineering
materials, Edit. Great Britain, 1992
8 A. L Gomez, J.J. Coronado, ESTUDIO TRIBOLGICO EN CHUMACERAS Y
EJES DE MOLINO DE CAA DE AZCAR. Revista Dyna, noviembre, ao/vol.
71, nmero 144
