Fricción, Desgaste Y Lubricación 591l72

Fernández Velasco Mariana Luján Quintana Rubén José Ramírez Valle Luis Fernando

FRICCIÓN Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción, entre dos superficies en o, a aquella que se opone al movimiento entre ambas superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento (fuerza de fricción estática). Se genera debido a las imperfecciones, mayormente microscópicas, entre las superficies en o.

Tipos de rozamiento Existen dos tipos de rozamiento o fricción:  Fricción estática. Es la resistencia que se debe superar para poner en movimiento un cuerpo con respecto a otro que se encuentra en o.  Fricción dinámica. Es la resistencia, de magnitud considerada constante, que se opone al movimiento pero una vez que éste ya comenzó. En resumen, lo que diferencia a un roce con el otro, es que el estático actúa cuando los cuerpos están en reposo relativo en tanto que el dinámico lo hace cuando ya están en movimiento

Rozamiento de sólidos En el rozamiento entre cuerpos sólidos se ha observado que son válidos de forma aproximada los siguientes hechos empíricos:  La fuerza de rozamiento tiene dirección paralela a la superficie de apoyo.  El coeficiente de rozamiento depende exclusivamente de la naturaleza de los cuerpos en o, 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 o.  Para un mismo par de cuerpos (superficies de o), el rozamiento es mayor un instante antes de que comience el movimiento que cuando ya ha comenzado (estático Vs. cinético).

El rozamiento puede variar en una medida mucho menor debido a otros factores:  El coeficiente de rozamiento es prácticamente independiente del área de las superficies de o.  El coeficiente de rozamiento cinético es prácticamente independiente de la velocidad relativa entre los móviles.  La fuerza de rozamiento puede aumentar ligeramente si los cuerpos llevan mucho tiempo sin moverse uno respecto del otro ya que pueden sufrir atascamiento entre si.

Las leyes del comportamiento de la fricción pueden sintetizarse en los siguientes dos postulados básicos: 1. La resistencia al deslizamiento tangencial entre dos cuerpos es proporcional a la fuerza normal ejercida entre los mismos. 2. La resistencia al deslizamiento tangencial entre dos cuerpos es independiente de las dimensiones de o entre ambos. La segunda ley puede ilustrarse arrastrando un bloque sobre una superficie plana. La fuerza de arrastre será la misma aunque el bloque descanse sobre la cara ancha o sobre un borde más angosto.

Estas leyes fueron establecidas primeramente por Leonardo da Vinci al final del siglo XV

Rozamiento con lubricación Una cuestión de interés práctico es un problema mixto donde pueden aparecer tanto fenómenos de rozamiento entre sólidos como entre fluido y sólido, dependiendo de la velocidad. Se trata del caso de dos superficies sólidas entre las cuales existe una fina capa de fluido. Stribeck demostró que a muy bajas velocidades predomina un rozamiento como el que ocurre entre dos superficies secas, y a velocidades muy altas predomina un rozamiento hidrodinámico. La mínima fricción se alcanza para una velocidad intermedia dependiente de la presión del fluido, su "viscosidad cinemática".

DESGASTE El desgaste es conocido desde que el ser humano comenzó a utilizar elementos naturales que le servían como utensilios domésticos. Este fenómeno al igual que la corrosión y la fatiga, es una de las formas más importantes de degradación de piezas, elementos mecánicos y equipos industriales.

El desgaste puede ser definido como el daño superficial sufrido por los materiales después de determinadas condiciones de trabajo a los que son sometidos. Este fenómeno se manifiesta por lo general en las superficies de los materiales, llegando a afectar la sub-superficie. El resultado del desgaste, es la pérdida de material y la subsiguiente disminución de las dimensiones y por tanto la pérdida de tolerancias.

Mecanismos de desgaste La interacción entre las superficies y su grado de limpieza (cuando el acercamiento entre los cuerpos es tal, que no se presenta ningún tipo de impurezas, capas de óxido o suciedades) se permite que el área de o sea aumentada, pudiéndose formar uniones adhesivas más resistentes. El desgaste adhesivo es ayudado por la presencia de altas presiones localizadas en las asperezas en o. Estas asperezas son deformadas plásticamente, permitiendo la formación de regiones soldadas localizadas. El desgaste adhesivo ocurre como resultado de la destrucción de los enlaces entre las superficies unidas, permitiendo que parte del material arrancado se transfiera a la superficie del otro. Así, la superficie que gana material aumenta su rugosidad con el agravante de que cuando el movimiento continua, se genera desgaste abrasivo contra la otra superficie.

Desgaste Abrasivo Es el daño por la acción de partículas sólidas presentes en la zona del rozamiento. Se denomina abrasión a la acción mecánica de rozamiento y desgaste que provoca la erosión de un material o tejido. Existen 2 formas básicas de abrasión.

Abrasión por desgaste de 2 cuerpos. Ocurre cuando las protuberancias duras de una superficie son deslizadas contra otra. Un ejemplo de estos es el pulido de una muestra mediante el uso de lijas. Abrasión por desgaste de 3 cuerpos. Se presenta en sistemas donde partículas tienen la oportunidad de deslizarse o girar entre 2 superficies en o, el caso de aceites lubricantes contaminados puede ser un ejemplo de este tipo de abrasión. Los rangos de desgaste de abrasión de tres cuerpos son generalmente mas bajos que en el sistema de abrasión de 2 cuerpos.

a) abrasión de 2 cuerpos

b) abrasión de 3 cuerpos

Desgaste

Oxidativo

Se presenta en superficies metálicas bajo deslizamiento sin lubricación o poca lubricación, en presencia de aire u oxígeno. El calor generado por la fricción en o deslizante, en presencia de oxígeno provocan la oxidación acelerada. El desgaste oxidativo también se puede presentar bajo sistemas de deslizamiento lubricados, en donde el espesor de la película del lubricante se encuentre por debajo de los valores de la rugosidad de las superficies en o.

Desgaste por Corrosión Llamado también desgaste químico, se produce por reacciones químicas o electromagnéticas entre las superficies y el ambiente. Los productos finos de la corrosión en la superficie son las partículas gastadas en esta clase de fenómenos. Cuando se destruye o quita la capa de corrosión por deslizamiento o abrasión, se comienza a formar otra capa, y se repite el proceso de formación de capa de corrosión. Entre los medios corrosivos están el agua dulce, el agua de mar, oxigeno, ácidos y sustancias químicas y sulfuro de hidrógeno y el oxigeno de azufre atmosférico

Desgaste por Difusión Viene dado por el incremento de la temperatura, lo que produce una difusión de las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficie de la herramienta. Se presenta entre las temperaturas de 900 y 1200 °C. En herramientas de metal duro, cerámicas o nitruro de boro, se eleva la movilidad atómica y se produce una disolución mutua del material de la pieza y el de la herramienta. La actividad de este proceso aumenta con la velocidad de corte. De ahí que el desgaste difusivo pueda considerarse como un desgaste químico que produce variaciones en la capa superficial de la herramienta y de esa forma compromete la resistencia a desgaste de la misma

Desgaste por Ludimiento Esencialmente es aquel en el cual hay un movimiento relativo entre dos superficies en o con una carga aplicada, donde el daño de la superficie no ocurre por riscado debido a la penetración de las asperezas o por partículas externas. El desgaste por deslizamiento es uno de los tipos de desgaste que ocurre con mas frecuencia en la industria y por esto es estudiado con gran interés por los investigadores. Una de las razones del gran esfuerzo dedicado al estudio del desgaste por deslizamiento es su complejidad, especialmente en lo que se refiere a los múltiples mecanismos involucrados. En el desgaste por deslizamiento están presentes mecanismos de adhesión, formación y crecimiento de grietas sub-superficiales por fatiga y formación de películas superficiales por procesos triboquimicos.

Desgaste por Fretting Ocurre entre dos superficies en las cuales experimentan pequeñas oscilaciones. Cuando algunas vibraciones aparecen en las superficies en o, ocurren pequeños deslizamientos en la dirección del movimiento relativo, esos pequeños deslizamientos son causa de desgaste por fretting. El mecanismo se presenta cuando se mantiene el sistema sometido a un gran número de ciclos. Puede conducir a la pérdida de las uniones de o de los cuerpos, incrementando la vibración y acelerando la tasa de desgaste. También se ha observado que en general los debris (partículas de desgaste), son óxidos y como estos ocupan un mayor volumen que el material que los origina, pueden conducir a falla por Seizure (adhesión severa que conduce a soldado de las superficies), en partes diseñadas para trabajar con una determinada holgura. De esta forma la holgura ser ampliada y los debris tendrán la posibilidad de abandonar la interfaz más fácilmente.

Lugares que se encuentran propensos a fretting en un remache

Desgaste por Erosión Se presenta en la superficie de los cuerpos, resultado del impacto de partículas sólidas, líquidas o gaseosas que los impactan. Estas partículas pueden actuar solas o de manera combinada. La erosión afecta muchos materiales de ingeniería, especialmente elementos que componen maquinaria usada en la industria minera y en general toda pieza que sea impactada por cualquier tipo de partícula. Las partículas que causan el desgaste erosivo pueden estar en ambientes secos o húmedos pudiendo actuar en forma muy variadas. Cuando el medio de trabajo es húmedo (por ejemplo, un medio con agua y partículas de arena), la erosión y la corrosión son fenómenos que actúan en forma sinérgica, provocando la degradación acelerada de los materiales.

Protección contra la Fricción y el desgaste Desde que el desgaste comenzó a ser un tópico importante y que necesitaba estudiado y entendido, comenzaron a aparecer en los libros de diseño y en la mente de los diseñadores, ideas sencillas de como prevenirlo o combatirlo, entre esas ideas se tienen: 1. Mantener baja la presión de o 2. Mantener baja la velocidad de deslizamiento 3. Mantener lisas las superficies de rodamientos 4. Usar materiales duros 5. Asegurar bajos coeficientes de fricción 6. Usar lubricantes

Lubricación  El propósito de la lubricación o

engrase es el de interponer una película de un material fácilmente cizallable entre órganos con movimiento relativo. La sustancia fácilmente cizallable es lo que se conoce como lubricante.

Tipos de lubricación  Película Fluida:  Las superficies en movimiento son separadas, aprovechando el

grosor y la viscosidad de la película aportada por el lubricante; y a través de su propio esfuerzo cortante.  La fricción y el desgaste generado son mínimos, por lo que es el tipo de lubricación más deseada. La película fluida puede ser formada de varias maneras:

 Película Hidrodinámica:

Se forma a través del movimiento de las superficies lubricadas convergiendo en un punto, en el cual, se genera una presión tal, que permite mantener estas superficies separadas.

 Película Hidrostática: Se genera mediante el bombeo a

presión de un fluido entre las superficies, las cuales pueden o no estar en movimiento.

 Película Elasto-Hidrodinámica (EHL): Las películas

EHL se forman en sistemas que contienen dos superficies metálicas lubricadas en movimiento y soportando una determinada carga. El elemento metálico se deforma leve y elásticamente, permitiendo la formación de la película hidrodinámica, la cual separa dichas superficies.

Lubricación Límite  Lubricación límite: La capa de fluido siempre se

mantiene de menor espesor que la altura de las irregularidades, el o de ellas es constante, la mayor parte de la carga es soportada por las irregularidades.

Película Sólida  Película Sólida: Las moléculas del lubricante se

alojarán en las irregularidades de las superficies metálicas, rellenando y emparejando sus cavidades, todo lo cual, permitirá reducir la fricción y el desgaste.

Funciones de los lubricantes  Proteger el desgaste, la corrosión y oxidación  Contribuir a la estanqueidad  Contribuir a la refrigeración

 Facilitar la evacuación de impurezas

Tipos de lubricantes para el trabajo en metales  Antes de la aparición de estos productos en el

mercado, era común en los talleres de maquinado de metales el empleo de agua jabonosa con pequeños agregados de querosén también soluciones acuosas de carbonato de sodio preparadas sin ningún contralor; pero estas soluciones no tienen un efecto lubricante apreciable y actúan virtualmente tan solo por medio de enfriamiento

Los lubricantes en la manufactura. Fluidos Sintéticos  Existen tres tipos de fluidos concentrados base agua

para el trabajo de metales. Cada tipo está determinado por la cantidad de aceite mineral que contiene.  Los fluidos de aceite soluble contienen la mayoría de

aceite mineral,  Los semi-sintéticos o fluidos de ‘micro-emulsión’ contienen cantidades menores de aceite.  Los fluidos sintéticos no contienen aceite mineral.

Aplicaciones de fluidos sintéticos  Aumento en el control de la concentración  Los productos sintéticos rechazan el aceite entrampado mejor que los aceites solubles y los semi-sintéticos

Baja espuma  Los fluidos de metales de trabajo sintéticos producen

por su naturaleza menor espuma que los aceites solubles o semi-sintéticos.

Reducción de Neblinas  Los productos sintéticos generan menor cantidad de

neblinas en las operaciones de trabajo de metales.  OTROS:  Aumenta la vida del depósito  Operaciones más limpias  Reducción del tiempo programado

Lubricantes minerales  Es el más usado y barato de las bases parafínicas.

Grasas Lubricante  Una grasa lubricante es un material semifluido

formado por un agente espesante, un aceite basa y normalmente, una serie de aditivos.  Las grasas se pueden utilizar en sustitución de los aceites lubricantes

Películas metálicas y poliméricas  Se utilizan capas delgadas de metales suaves y los

recubrimientos de polímero, como lubricantes sólidos.  Metales adecuados: Plomo, indio, cio, estaño, etc.  Polímeros adecuados: Polietileno, metacrilatos

 Sin embargo estos recubrimientos tienen pocas

aplicaciones, por su falta de resistencia bajo grandes esfuerzos de o y a temperaturas elevadas.  También se usan metales suaves para recubrir metales de alta resistencia, si el óxido de determinado metal tiene baja fricción y es lo bastante delgado, la capa de óxido puede servir como lubricante sólido.