Desgaste por fricción en Sistemas lubricados

El desgaste por fricción es un daño superficial que ocurre entre dos superficies en contacto que experimentan un movimiento cíclico (desplazamiento tangencial oscilatorio) de pequeña amplitud. En las áreas de contacto, el lubricante se exprime, lo que resulta en un contacto de metal a metal.

Debido a que el movimiento de baja amplitud no permite que el área de contacto se relubrique, puede ocurrir un desgaste localizado grave. Este tipo de desgaste promueve aún más el desgaste por abrasión, adherencia y/o fatiga por fricción (una forma de fatiga superficial) en dos cuerpos.

Cuando el desgaste por fricción se produce en un entorno corrosivo, tanto el roce de las películas de óxido como el aumento de la abrasividad de los residuos de desgaste oxidados más duros tienden a acelerar en gran medida el desgaste. Cuando la actividad de corrosión es claramente evidente, como se denota por el color de las partículas de desechos, el proceso se conoce como corrosión por fricción.

Desgaste por fricción

El desgaste por fricción también se conoce como desgaste vibratorio, rozaduras, fatiga, oxidación por desgaste, oxidación por fricción, falso brinelling, desgaste molecular, fatiga por fricción y corrosión.

Debido a que prácticamente todas las máquinas vibran, el contacto se produce en uniones atornilladas, clavadas, ajustadas a presión, clavadas y remachadas; entre componentes que no están destinados a moverse; en estrías oscilantes, acoplamientos, cojinetes, embragues, husillos y sellos; y en placas de base, juntas universales y grilletes.

El fretting ha iniciado grietas por fatiga que a menudo resultan en fallas por fatiga en ejes y otros componentes altamente estresados.

El desgaste por fricción es un tipo de desgaste de superficie a superficie y se ve afectado en gran medida por la amplitud de desplazamiento, la carga normal, las propiedades del material, el número de ciclos, la humedad y la lubricación.

Proceso de desgaste por fricción

El movimiento cíclico entre superficies en contacto es el ingrediente esencial en todos los tipos de desgaste por fricción. Es un proceso combinado que requiere que las superficies estén en contacto y expuestas a pequeñas oscilaciones de amplitud.

Dependiendo de las propiedades del material de las superficies, el adhesivo, la abrasión de dos cuerpos y/o las partículas sólidas pueden producir residuos de desgaste. Las partículas de desgaste se desprenden y se trituran y el mecanismo de desgaste cambia a abrasión de tres cuerpos cuando los residuos endurecidos por trabajo comienzan a eliminar el metal de las superficies.

El desgaste por fricción se produce como resultado de la siguiente secuencia de eventos:

1. La carga normal aplicada hace que las asperezas se adhieran, y el movimiento oscilatorio tangencial corta las asperezas y genera residuos de desgaste que se acumulan.

2. Las asperezas supervivientes (más duras) actúan eventualmente sobre las superficies lisas y blandas, causando que sufran deformación plástica, creen huecos, propaguen grietas y corten láminas de partículas que también se acumulan en partes deprimidas de las superficies.

3. Una vez que las partículas se han acumulado lo suficiente para cubrir el espacio entre las superficies, se produce un desgaste por abrasión y la zona de desgaste se extiende lateralmente.

4. A medida que la adherencia, la delaminación y el desgaste por abrasión continúan, los residuos de desgaste ya no se pueden contener en la zona inicial y se escapan a los valles circundantes.

5. Debido a que el esfuerzo máximo está en el centro, la geometría se vuelve curva, se forman micropitos y estos se fusionan en hoyos más grandes y profundos. Finalmente, dependiendo del desplazamiento del movimiento tangencial, se pueden generar pistas de gusano o incluso grandes fisuras en una o ambas superficies.

A medida que las superficies se endurecen en el trabajo, la tasa de desgaste por abrasión disminuye. Finalmente, se produce una tasa de desgaste constante, que muestra que todos los modos de desgaste relevantes funcionan en combinación.

Características de desgaste por fricción

El factor clave en el desgaste por fricción es una interfaz cargada mecánicamente sujeta a un pequeño movimiento oscilatorio. El movimiento relativo requerido para producir daño puede ser bastante pequeño, tan bajo como un micrómetro, pero más a menudo es de unas pocas milésimas de pulgada. El coeficiente de desgaste depende de la amplitud de la oscilación.

Se produce muy poco desgaste a amplitudes inferiores a 100 micrómetros, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Amplitud de desgaste por fricción vs. deslizamiento 1

En deslizamientos por debajo de 100 micrómetros, la nucleación y propagación de grietas que conducen a residuos de desgaste son demasiado diminutas para ser detectadas. Los residuos de desgaste que ruedan en ese grado de oscilación probablemente causan esta baja tasa de desgaste.

A altas amplitudes, la abrasión directa de la interfaz por partículas duras (partículas de óxido o endurecidas por trabajo) crea la tasa de desgaste bruto. En grandes amplitudes de oscilación, el coeficiente de desgaste por fricción es aproximadamente el mismo que el del desgaste unidireccional.

Gráfico 2 Desgaste por fricción vs. Tiempo de Funcionamiento2

Los cambios en la carga normal generalmente afectan el desgaste por fricción. Aunque los usuarios de equipos a menudo suponen que las altas cargas normales amortiguarán la vibración lo suficiente como para reducir el desgaste, el aumento en el área de contacto produce más interacción superficial que tiende a compensar este efecto. En consecuencia, el aumento de las presiones de carga o unidad tiende a generar tasas de desgaste más altas, como se muestra en la Figura 3.

Gráfico 3 Desgaste por fricción vs. Carga de la unidad Normal3

Tres mecanismos separados causan desgaste por fricción: adherencia, fatiga de tracción y delaminación (abrasión de dos cuerpos). La transferencia metálica puede tener lugar o no. La deformación plástica cambia geométricamente las superficies y se crean regiones de alta carga que tienen áreas medidas en milímetros cuadrados.

El material correspondiente a estas áreas de carga está altamente endurecido al trabajo y conduce a formar una nueva fase estructural. Estas áreas endurecidas por el trabajo son frágiles, propensas a la fractura y fragmentación, y generan desechos y partículas de desgaste metálico con dimensiones iniciales de alrededor de un micrómetro.

Gráfico 4 Efecto de la frecuencia en el Daño por fricción del acero dulce

Corrosión por fricción

Otra faceta del proceso de fricción es la influencia de la humedad en la tasa de desgaste por fricción. El desgaste por fricción disminuye sustancialmente para la mayoría de las parejas de fricción (metales) a medida que la humedad relativa aumenta de cero a 50 por ciento.

El desgaste en condiciones húmedas siempre es menos severo porque la humedad contenida en el aire proporciona un tipo de película lubricante entre las superficies. En algunos casos, la humedad permite que se formen hidratos de hierro suave en lugar de la magnetita Fe3O4, un óxido magnético de hierro, más dura y abrasiva.

Aunque la fricción puede ocurrir en un ambiente inerte, este tipo de ambiente no es normal. Incluso en condiciones de lubricación completa, los aceites de base mineral expuestos a la atmósfera contienen al menos un 10 por ciento de aire, por lo que el oxígeno está presente en todas las parejas de fricción o interfaces de desgaste. Las superficies de desgaste y los residuos de desgaste comúnmente muestran una gran cantidad de óxido, lo que lleva al nombre de «corrosión por fricción».»

En el pasado, el desgaste por fricción se llamaba generalmente corrosión por fricción porque la oxidación era supuestamente el factor crítico que causaba la fricción. De hecho, la existencia de productos de oxidación ha sido un medio fácil de identificar un proceso de fricción.

Hoy en día, los ingenieros se dan cuenta de que la fricción se produce en materiales que no se oxidan, como el óxido cúbico, el oro y el platino. A pesar de que la oxidación no causa fisuras en la mayoría de los materiales comunes, la eliminación de los residuos de desgaste deja el metal virgen expuesto a la atmósfera y, por lo general, se produce oxidación.

Una fuerte evidencia visual apoya la idea de que las películas de óxido se forman y posteriormente se raspan. Las superficies metálicas en la región con trastes se decoloran ligeramente. El color de los residuos de desgaste varía con el tipo de material original; el producto de corrosión del aluminio es blanco, pero el desgaste hace que se vuelva negro, el producto de corrosión del acero es gris, pero el desgaste hace que se vuelva marrón rojizo.

El segundo aspecto que apoya esta idea es el aumento de la tasa de desgaste. Cuando el desgaste se produce en un ambiente inerte, la tasa de desgaste es considerablemente menor que cuando las condiciones hacen que se forme una película de óxido y se raspe.

Debido a que el efecto de la frecuencia sobre el desgaste depende de la amplitud, se deben definir dos tipos de desgaste por fricción de acuerdo con la amplitud de oscilación. El primer tipo de fricción es la corrosión por fricción o el desgaste, como se discutió anteriormente. El segundo tipo de distensión que se produce, en el que se elimina menos material, se denomina fatiga por distensión o fatiga por tracción.

Fatiga por fricción

En la fatiga por fricción, las grietas de la superficie se inician y propagan, eliminando así el material. La amplitud es pequeña. Si la amplitud del deslizamiento aumenta, el fenómeno de fatiga por fricción puede desaparecer a medida que el frente de desgaste comienza a avanzar lo suficientemente rápido como para eliminar las grietas iniciadas antes de que se propaguen.

La dureza de la superficie juega un papel clave en la limitación de la fatiga por fricción. Si ambas superficies son duras, las asperezas se soldarán, seguidas por el corte de uniones, la transferencia de material y la generación de partículas de desgaste.

Si una superficie dura está en contacto con una superficie blanda, es probable que se produzca desgaste por fatiga por fricción. La más dura de las dos superficies crea suficiente tracción para causar deformación plástica de la superficie más blanda y liberación de partículas a través de la nucleación del vacío subsuperficial, la propagación de grietas y la posterior pérdida de material de superficie.

Cuando una superficie es mucho más dura y rugosa y es impulsada por menos fuerza de tracción, las asperezas penetrarán en la superficie opuesta para causar una abrasión grave y residuos de desgaste similares a cables.

El lubricante influye en el Fretting

El fretting parece progresar más rápidamente en parejas de fricción que tienen acabados superficiales lisos y se ajustan bien. Los lubricantes no penetran en áreas de desgaste con espacios pequeños (descritos como ajustes ajustados). Además, el acabado liso elimina las bolsas de retención de lubricante entre las asperezas en superficies más rugosas.

En estas condiciones, solo se puede lograr la condición de lubricación límite, la interacción continua de las superficies mojadas con aceite. Los lubricantes no siempre tienen éxito porque la acción recíproca exprime la película de lubricante y no permite que se reponga.

En general, el propósito del lubricante en la mayoría de las situaciones de fricción es evitar que el oxígeno llegue a la superficie de fricción y a los residuos de desgaste. Los lubricantes líquidos con aditivos desactivadores de metales efectivos pueden ayudar a reducir el efecto de los trastes, pero es probable que no dejen de trastes por completo.

1. Halliday, J. Conferencia sobre Lubricación y Desgaste, Proc. I. Mech. E, Londres, 1957. p. 640.

2. Feng, I. y Rightmire, B. Proc. I. Mech. E. 170, 1055, 1956.

3. Lipson, C. Wear Considerations in Design. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, Nueva York, 1967.

Nota del editor
Este artículo apareció originalmente como un capítulo en el libro de E. C. Fitch, Mantenimiento proactivo para sistemas mecánicos. 1992.