Muchas de las herramientas y útiles que tenemos en casa o en la empresa están sometidos a movimientos y uso constante. La mayoría de estos contienen una o más partes móviles. Esta movilidad implica un roce constante unas con otras o roce con su superficie. La consecuencia inevitable por tener dos superficies en constante roce se llama desgaste, tema que trataremos a lo largo de este artículo.
La fricción
La fricción es una fuerza que existe entre dos superficies en contacto que se opone al deslizamiento. Se genera debido a las imperfecciones, que en mayor parte son microscópicas, entre las superficies en contacto.
Durante el rozamiento que ocurre entre dos cuerpos se ha observado lo siguiente:
- La fuerza de rozamiento tiene dirección paralela a la superficie de apoyo.
- El coeficiente de rozamiento o fricción depende de la naturaleza de los cuerpos en contacto, así como del estado en que se encuentren sus superficies.
- La fuerza máxima de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal que actúa entre las superficies de contacto.
- Para dos cuerpos, el rozamiento es mayor un instante antes de que comience el movimiento que cuando ya ha comenzado.
Desgaste
El desgaste se puede definir como la pérdida de material en una superficie sólida por la interacción mecánica con otro elemento o sustancia ya sean sólidos, líquidos o gaseosos. Sin embargo, el desgaste no es exclusivo por causas mecánicas, existen otros factores que lo pueden potenciar, como factores químicos y/o térmicos. Para que el proceso ocurra debe haber contacto el material base y el contracuerpo, y debe existir un movimiento relativo entre ellos debido a cargas.
El desgaste se puede clasificar en dos tipos:
- Desgaste leve.
- Desgaste fuerte o severo.
Corrosión leve
El desgaste leve ocurre cuando la remoción de material es mínimo. Esto se logra por la presencia de una capa protectora que evita el contacto directo de los materiales. En el caso específico de desgaste por adhesión.
Corrosión severa
En el desgaste severo existe una fuerte adhesión entre materiales provocando una alta tasa de remoción de material. La generación de la tribocapa es más a fin a crearse en materiales con alta capacidad de deformación. Es decir, con gran tenacidad. Esta se forma por esfuerzos de compresión hidrostática a causa de las cargas normales por el contacto de los materiales produciendo una zona de mezcla en la zona más cercana a la superficie reduciendo la fricción entre materiales y el desgaste por adhesión.
La formación de la capa está altamente controlada por la presión aplicada. Mientras mayor sea, se logrará una capa más compacta y densa teniendo un menor desgaste. Pero, al mismo tiempo, si no se controla adecuadamente una presión elevada puede aumentar la deformación y dañar la superficie del material provocando un mayor desgaste.
El desgaste severo se comienza a presentar cuando hay nucleación y propagación de grietas en dirección paralela al deslizamiento formando residuos – en inglés le denominan debris-. En ese caso, su tamaño dependerá de la profundidad de la zona de deformación plástica.
Se ha observado que para un material dado existe una temperatura crítica para la transición de desgaste leve a severo y que a mayor velocidad de deslizamiento la carga de transición disminuye. De igual forma, a bajas velocidades la respuesta del material es estable e isotérmica con pequeñas partículas fuertemente compactadas que comenzaran a desprenderse cuando se exceda el esfuerzo a la fractura. Por el contrario, a altas velocidades hay inestabilidad en un ambiente adiabático y por esfuerzos cortantes se forman residuos con forma de granos alargados.
Parámetros del corrosión
Para los ingenieros ha sido un dolor de cabeza estudiar el desgaste. Esto, porque aun no se ha encontrado un modelo para predecir el comportamiento de un desgaste satisfactoriamente. El desgaste puede ocurrir debido a factores mecánicos, químicos y/térmicos, lo que implica una amplia variedad de variables.
En la siguiente imagen se pueden observar los parámetros para cada tipo de desgaste:
Figura 1. Parámetros de cada tipo de desgaste.
La norma DIN 50320 clasifica el desgaste que ocurre debido a ciertos mecanismos. Sin embargo, no incluye la erosión o la corrosión, por lo que no es una tabla completa.
Tipos de corrosión
Generalmente, los tipos de desgaste se clasifican en 3 formas:
- Marca de desgaste.
- Mecanismo físico del desgaste.
- Descripción.
La marca de desgaste ayuda a los ingenieros tener un marco de referencia para comparar con otros desgastes ya visto. Así, se puede extrapolar el caso anterior para aplicarlo al problema actual. Por otro lado, la clasificación por desgaste físico ayuda al ingeniero a crear posibles modelos de predicción de la evolución del desgaste de una material; además, lograr identificar los parámetros que modifican los modelos y cuáles pueden ser controlados. Por último, el tercer tipo es más utilizado desde el punto de vista del diseño de elementos.
A continuación, exploraremos un poco más en el mecanismo físico del desgaste, el cual consiste en:
- Adhesión,
- abrasión.
Desgaste por adhesión
El fenómeno de adhesión se debe a la generación de enlaces físicos que se forman entre las uniones de las superficies. Estos enlaces se forman debido a la naturaleza de la fuerza interatómica. Para grandes separaciones, existe una débil fuerza de atracción. A medida que los átomos se aproximan entre sí, la fuerza de atracción aumenta.
Como ya sabemos, las superficies no son lisas, sino que presentan cierto grado de rugosidad. El contacto no se presenta en toda la superficie de los dos elementos, se presenta en pequeñas regiones dentro del área. Los pequeños puntos en los cuales ocurre el contacto son llamados uniones. La suma de cada uno de los puntos en donde ocurre el contacto es llamada el área real de contacto.
Por otro lado, el área aparente de contacto es la consideración macroscópica del área que se pone en contacto. Además, estas uniones pueden ser deformadas como resultado de un esfuerzo cortante. La deformación puede ser elástica o plástica. Sin embargo, se asume que, en ciertos casos, las uniones presentarán deformación plástica, lo que hace crecer el área de contacto real.
Desgaste abrasivo
El desgaste por abrasión es causado por partículas duras y protuberancias. Cuando 2 superficies están involucradas, se refiere a abrasión. Generalmente, se hace distinción entre dos tipos de abrasión:
- abrasión entre dos cuerpos,
- de tres cuerpos.
La abrasión entre dos cuerpos es causada por protuberancias o por partículas duras incrustadas en la superficie. La abrasión entre tres cuerpos es provocada por partículas suspendidas entre las dos superficies. Por otra parte, el término erosión es generalmente aplicado a situaciones donde el desgaste abrasivo solo involucra una superficie.
Cuando el abrasivo es más duro que la superficie, el tipo de mecanismo de desgaste dominante es la deformación de ciclo único. Por otro lado, cuando el abrasivo es más suave que la superficie, el tipo de mecanismo de desgaste dominante es la deformación de ciclo repetitivo. Las atmósferas y el medio fluido donde tiene lugar el desgaste abrasivo son factores para el desgaste. La corrosión en la superficie tiende a generar una alta tasa de desgaste, debido al desprendimiento de óxidos de la superficie, los cuales actúan como abrasivos.
Resumen
El desgaste es una consecuencia inevitable de los equipos móviles que están en constante roce y movimiento. Para evitarlo, existen diversos tipos de mantenimiento para evitar llegar al punto donde el desgaste pueda causar paradas productivas. Por ejemplo, usar un plan de mantenimiento predictivo puede ayudar a detectar los desgastes a tiempo. Esto, mediante el monitoreo constante de los equipos.
