ENSAYOS TRIBOLOGICOS

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE MECÁNICA LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA IV

“INGENIERIA “INGENIERIA DE

SUPERFICIES, TRIBOLOGIA Y ENSAYOS TRIBOLOGICOS”

PRACTICA Nº 1. TIPO DE ENSAYO: Desgaste deslizante

Revisado por:

Realizado por:

Glorys López

Kenia Campos, CI: 17.730.112

Sección: 24

Jorge Reyna, CI:

Barcelona, 22/05/2012

Contenido

RESUMEN................................................... ........................................................................................................ ................................................................. ............ 1 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... ................................................................................ .................... 5 2. OBJETIVOS ............................................................................................................. ....................................................................... ...................................... 7 2.1 Objetivo General ................................................................................................. ........................................................... ...................................... 7 2.2 Objetivos Específicos Específicos .......................................................................................... ......................................................................................... . 7 3. MARCO TEORICO ................................................... .................................................................................................. ............................................... 8 3.1 TRIBOLOGIA TRIBOLOGIA ....................................................... ..................................................................................................... .............................................. 8 3.2 LA FRICCION FRICCION .................................................................................................... .......................................................................................... .......... 8 3.2.1 Efectos de fricción .................................................. ........................................................................................ ...................................... 9 3.2.2 Tipos de fricción ..................................................... ......................................................................................... .................................... 10 3.2.3 Tipos de fricción externa ............................................................................ .......................................................... .................. 11 3.2.4 Estados de fricción.................................................. ...................................................................................... .................................... 12 3.2.4.1 Fricción metal-metal. ........................................................................... ......................................................... .................. 12 3.2.4.2 Fricción pura. ....................................................................................... ............................................................ ........................... 12 3.2.4.3 Fricción sólida. ................................................. ..................................................................................... .................................... 12 3.2.4.4 Fricción fluida. .................................................................................... . 13 3.2.4.5 Fricción hidrodinámica. hidrodinámica. ....................................................................... ..................................................... .................. 13 3.2.4.6 Fricción hidrostática. ................................................. ............................................................................ ........................... 13 3.2.4.7 Fricción gaseosa. gaseosa. .................................................................................. 13 3.2.4.8 Fricción mixta. ..................................................................................... .......................................................... ........................... 14 3.2.5 Reducción de la fricción .................................................. ............................................................................. ........................... 14 3.3 DESGASTE.................................................. ...................................................................................................... ...................................................... 15 3.3.1 Tipos de desgaste .................................................... ........................................................................................ .................................... 15 3.3.1.1 Adhesivo. ............................................................................................. ........................................................................... .................. 15 3.3.1.2 Abrasivo. ...................................................................................... ........ 16 3.3.1.3 Corrosivo. Corrosivo. ................................................ ............................................................................................. ............................................. 16

3.3.1.4 Erosivo. ................................................................................................ .............................................................................. .................. 16 3.4 FATIGA SUPERFICIAL. SUPERFICIAL. ................................................................................. ................................................................................ . 17 3.5 LUBRICACIÓN LUBRICACIÓN ................................................... ................................................................................................ ............................................. 17 3.6 IMPORTANCIA DE LA LUBRICACION ...................................................... 17 3.7 ANÁLISIS DE ACEITE ................................................................................... ........................................................ ........................... 18 3.8 APLICACIÓN DEL ANÁLISIS DE ACEITE ................................................. ................................................ . 18

“INGENIERIA DE SUPERFICIES, TRIBOLOGIA Y ENSAYOS TRIBOLOGICOS”

Laboratorio de Metalurgia. Universidad de Oriente. Núcleo de Anzoátegui. Puerto La Cruz, Venezuela Kenia campos, Jorge Reyna. [email protected]

[email protected]

RESUMEN Se realizo un ensayo de desgaste deslizante, el cual el protagonista fue un lubricante natural (aceite de coco) y el tribómetro tipo pin on disk (TRIBOMAN) diseñado y fabricado en la Universidad de Oriente. Núcleo Anzoátegui; el disco usado en esta experiencia posee una dureza de 229 HB (Brinell) fue primeramente trabajado con lijas de grano (200, 400 y 1006), limpiado con alcohol absoluto y posteriormente sacado (con un secador de mano) antes de realizar el montaje en el TRIBOMAN se realizo una prueba de dureza en el durómetro de la bola los valor obtenidos fueron promediados y expresados en µm, una ves obtenido este valor se convierte a HV (Vicker), luego a dureza Rockwell C y posteriormente a la dureza HB (Brinell) con la que se compararía con la dureza del disco. Luego de realizada la practica se utilizo un rugosímetro para determinar la rugosidad promedio (Ra) para cada una de las caras del disco el cual fue desmontado una ves cumplido el tiempo requerido para la culminación de la practica, seguidamente se procedió a tomar la profundidad del umbral de la huella realizada por la carga aplicada a la bola de 200g, tanto para la prueba realizada con lubricación y sin lubricación, la finalidad es observar en el microscopio la diferencia de profundidad de la huella que se produce debido al efecto atenuante de la fricción de la capa de viscosidad aportada por el aceite de coco.

“ENSAYOS TRIBOLOGICOS”

1. INTRODUCCIÓN La ingeniería de superficie es una tecnología que ha sido formalmente definida apenas hace poco más de 15 años, esta inquietud por establecer un concepto moderno de la ingeniería de superficie ha surgido principalmente por la creciente necesidad de racionalizar el consumo de energía y aprovechar al máximo el uso de materiales empleados en las diversas industrias dedicadas a la producción de un sin fin de piezas y herramientas. Por esta razón, y desde aquel entonces, la ingeniería de superficie ha cobrado una notable importancia. Desde el punto de vista de la investigación científico y tecnológico, en las últimas décadas, se ha producido un creciente interés sobre el tema de la fricción y el desgaste, a esta reunión de tópicos se le ha dado el nombre de Tribología. La palabra Tribología se deriva del término griego tribos, el cual entenderse como “frotamiento o rozamiento”, así que la interpretación de la palabra puede ser, “la ciencia del rozamiento”.

Los diccionarios definen a la Tribología como la ciencia y

tecnología que estudia la interacción de las superficies en movimiento relativo, así como los temas y prácticas relacionadas. La Tribología es el arte de aplicar un análisis operacional a problemas de gran importancia económica, llámese, confiabilidad, mantenimiento, y desgaste del equipo técnico, abarcando desde la tecnología aeroespacial hasta aplicaciones domésticas. El entendimiento de las interacciones superficiales en una interfase requiere tener conocimiento de varias disciplinas incluyendo la física, química, matemáticas aplicadas, mecánica de sólidos, mecánica de fluidos, termodinámica, transferencia de calor, ciencia de materiales, reología, lubricación, diseño de máquinas, desempeño y confiabilidad. La tribología es un aspecto tecnológico que tiene que estar presente para el

TIPO DE ENSAYO: Desgaste deslizante

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entendimiento de procesos de degradación de material por fricción y desgaste en sistemas industriales. En tal sentido es importante que en los ensayos de desgaste en laboratorio las condiciones empleadas sean apropiadas y relevantes para el entendimiento de los mecanismos de desgaste en condiciones reales de servicio. Por lo general no es posible simular por completo las complejas interacciones tribológica encontradas en alguna aplicación industrial. Por tal motivo, a menudo es deseable simplificar las condiciones de ensayo para un mayor control de las variables, permitiendo así, un mejor entendimiento de los resultados del ensayo y su relación con las condiciones reales de servicio. Para el caso de sistemas recubiertos con capas duras delgadas, el comportamiento tribológico es afectado en gran medida por las propiedades de la capa (o capas) y su interacción con el sustrato, con lo cual se hace imprescindible caracterizar el recubrimiento de manera adecuada. Entre los numerosos ensayos tribológicos existe uno que permite una relativamente rápida caracterización de recubrimientos duros delgados para aplicaciones industriales.


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2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General Estudiar el efecto de la lubricación en el desgaste de un par tribológico, mientras se mantienen constantes los demás parámetros (estructurales, operacionales e interacciónales).

2.2 Objetivos Específicos Caracterizar la superficie de los discos en función de la rugosidad promedio (Ra). Caracterizar los materiales de las contra partes de ensayo (discos y esferas) en función de la composición química, mecánica y microestructural obtenida en la especificación suministrada en el laboratorio. Realizar pruebas de desgaste en el tribómetro tipo pin on disk ( TRIBOMAN ) a los diferentes pares tribológicos con y sin lubricación manteniendo las mismas condiciones de ensayo. Caracterizar el comportamiento tribológico de las contrapartes de ensayos (discos y esferas) en función del volumen desgastado calculado a partir de las dimensiones de las huellas de desgaste. Comparar el comportamiento tribológico de los diferentes pares ensayados en función de la lubricación.


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3. MARCO TEORICO 3.1 TRIBOLOGIA Palabra que viene del latín tribo: fricción y logo: tratado. Ciencia relacionada en principio sólo con la fricción y en la actualidad extendida a todos los fenómenos que limitan la vida de los equipos.

Sistema tribológico. Es un sistema natural o artificial de elementos materiales, por lo menos dos, donde se presenta la fricción y en casos extremos, el desgaste.

Sistema tribotécnico. Sistema particular o grupo funcional, donde existen varios puntos de fricción, los cuales tienen la función de transmitir energía o movimiento. [1]

3.2 LA FRICCION Se puede definir como la resistencia al movimiento relativo entre dos cuerpos en contacto. Al frotar un cuerpo contra otro, debe vencerse una resistencia. A esta fuerza que se opone al deslizamiento se le conoce como fricción. El valor de la fricción de un cuerpo deslizante es igual a la fuerza necesaria para vencerla. [2]

Causas: Ninguna superficie metálica es completamente lisa; aún superficies con acabados que se aproximan a la perfección presentan asperezas cuando se examinan en un microscopio. Las diminutas protuberancias en unas superficies interfieren el movimiento relativo de dos cuerpos cuando rozan entre sí dando origen a la fricción


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al tratar de entrelazarse y agarrarse.

3.2.1 Efectos de fricción La fricción no solo puede ser considerada desde el punto de vista negativo por los efectos que produce en maquinaria; también produce efectos positivos. Sin fricción no sería posible caminar (percibimos la sensación de esta dificultad cuando caminamos sobre el hielo), y muchos de los elementos que aprovechamos, como el automóvil, el freno (el frenado de un automóvil es posible gracias a la fricción, primero entre la balata y el disco y después entre la llanta y el pavimento), la piedra de esmeril, esm eril, no tendrían te ndrían razón r azón de ser. se r. En los órganos de d e las l as maquinas m aquinas consideramos la fricción como indeseable porque casi todos requieren del deslizamiento de una parte contra otra. Para vencer la fricción se requiere trabajo y la energía así gastada supone pérdida de potencia y eficiencia. Además donde hay fricción sólida ocurre desgaste, pérdida de material por la acción cortante de las asperezas opuestas y el rompimiento de las minúsculas superficies soldadas. Uno de los problemas de los ingenieros es controlar la fricción; incrementar la fricción donde se requiere (frenos) y reducir donde no es conveniente (cojinetes).La fricción origina calor, produce pérdida de potencia y desgaste de las partes en movimiento, desde el punto que se inicia un rápido deterioro hasta una falla total en la parte en contacto. La fricción es conceptualizada tradicionalmente en la forma de un bloque sobre una superficie horizontal. Se aplica una fuerza al bloque que tiende a moverlo a lo largo de la superficie. Además de la fuerza horizontal F, también existe una fuerza normal N entre

el bloque y la superficie, resultante del peso del bloque. Conforme se

incrementa gradualmente la fuerza F desde un valor bajo, no hay movimiento del bloque por la fricción entre las dos superficies. Finalmente, F alcanza un cierto valor (llamado F s) que vence la fricción y el bloque comienza a deslizarse. Esto define el coeficiente coeficiente de fricción estática µ s:


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s= F s /N µ s= Una vez que el bloque está en movimiento, la fuerza requerida para mantenerlo en movimiento baja a un valor F k, que es la fuerza cinética. En la mayoría de la situaciones mecánicas, la fuerza cinética se aproxima al 75% dela fuerza estática, pero esto depende de los materiales involucrados; para alguna combinación de materiales la diferencia entre la fuerza cinética y estática es cero. El coeficiente de fricción cinética cinética µ se puede calcular: µ = F k / N Existen varias teorías que explican la fricción, de esas la más aceptada es la teoría de la adhesión, la cual sostiene que dos superficies deslizantes (no lubricadas) están en contacto una con la otra solo en una pequeña fracción del área aparente entre ellas. Esto es verdad aun cuando las superficies sean bastante lisas.

3.2.2 Tipos de fricción

Fricción externa. Se da entre cuerpos diferentes.

Fricción interna. Se genera entre partículas de un mismo cuerpo.


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3.2.3 Tipos de fricción externa

Dependiendo del movimiento relativo: Fricción de deslizamiento. Se pres enta durante el movimiento relativo tangencial de los elementos sólidos en un sistema tribológico.

Fricción de rodamiento. Se presenta durante el movimiento relativo de rodadura entre los elementos sólidos de un sistema tribológico.

Fricción de rotación. Se presenta durante el movimiento relativo de rotación entre los elementos sólidos de un sistema tribológico.

Dependiendo de las condiciones de contacto: Fricción estática. Pérdida de energía mecánica al inicio y al final del movimiento relativo tangencial entre dos zonas materiales en contacto.

Fricción móvil. Pérdida de energía mecánica durante el movimiento relativo de zonas materiales en contacto.

Fricción de choque. Pérdida de energía mecánica al inicio y al final del movimiento relativo normal (perpendicular) entre zonas materiales en contacto.


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3.2.4 Estados de fricción

3.2.4.1 Fricción Fricción metal-metal. metal-metal.

La fricción metal-metal es un estado de fricción que se presenta en diferentes fenómenos tribotécnicos. Tiene lugar en un elemento lubricado como consecuencia del rompimiento dela película límite o por agotamiento de los aditivos anti desgaste del lubricante. La fricción metal-metal no siempre se debe evitar. Hay casos en donde es imprescindible que ocurra, como por ejemplo en las líneas de ferrocarril, en donde es necesario que que las superficies estén completamente exentas de algún tipo de lubricante para poder rodar y frenar rápidamente.

3.2.4.2 Fricción Fricción pura.

Es un estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por dos elementos que corresponden a los materiales base. La fricción pura raras veces se encuentra en la práctica industrial y por lo general, se obtiene a nivel de laboratorio, bajo un control muy riguroso de los experimentos. Durante la fricción pura las superficies están libres de cualquier película contaminante. La magnitud del coeficiente de fricción pura varía entre 0,8 a 10 y más.

3.2.4.3 Fricción Fricción sólida.

Estado de fricción fri cción en el cual el sistema sis tema tribológico está constituido constitui do por tres elementos que presentan características de cuerpos sólidos. Durante la fricción sólida el tercer elemento está presente en forma de capas de un compuesto adheridas al metal base. En la práctica industrial este estado de fricción se halla ampliamente difundido. Se entienden como compuestos la película límite de aditivo anti desgaste, las capas de óxidos, suciedad, etc. La magnitud del coeficiente de fricción varía entre


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0,2 a 0,8.

3.2.4.4 Fricción Fricción fluida.

Estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por tres elementos, presentando uno de ellos propiedades líquidas. La obtención de la fricción fluida está condicionada a la existencia de un lubricante líquido que separa las superficies de los elementos sólidos, que constituyen el sistema tribológico.

3.2.4.5 Fricción Fricción hidrodinámica. hidrodinámica.

Estado de fricción en el cual las condiciones hidrodinámicas se logran a través del movimiento relativo del par friccionante, cuando se encuentra sometido a ciertas condiciones de velocidad y de carga. En este estado de fricción juega un papel muy importante la viscosidad del lubricante empleado. Los valores del coeficiente de fricción varían en el rango de 0,001-0,002 en dependencia de la viscosidad del lubricante. 3.2.4.6 Fricción Fricción hidrostática. hidrostática.

Es un estado de fricción que se presenta en aquellos mecanismos que giran a bajas velocidades y que soportan grandes cargas y donde, para formar la película hidrodinámica, es necesario inyectar aceite a presión antes y durante el movimiento del mecanismo.

3.2.4.7 Fricción Fricción gaseosa. gaseosa.

Estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por tres elementos y uno de ellos presenta propiedades gaseosas. Dentro de la fricción gaseosa, una de las formas más difundidas es la que utiliza aire como elemento gaseoso y este separa


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las superficies de los elementos sólidos, que constituyen el sistema tribológico. La fricción aerodinámica se logra a través del movimiento relativo de los elementos sólidos, mientras que la aerostática se alcanza por medio de una presión exterior.

3.2.4.8 Fricción Fricción mixta.

Es un estado de fricción integrado por lo menos por dos estados de fricción, que se presentan simultáneamente en un sistema tribológico. La fricción mixta, formada por los estados de fricción sólida y fluida se encuentra ampliamente difundida en la práctica industrial, sobre todo en aquellas uniones tribo técnicas que se caracterizan por bajas velocidades y grandes cargas (lubricación elastohidrodinámica o EHL). Durante la fricción mixta, las propiedad es de los materiales, que constituyen la unión, juegan un papel de primer orden. La magnitud del coeficiente de fricción mixta varía entre 0,05 y0,2. [2]

3.2.5 Reducción de la fricción Las fuerzas de fricción pueden ser disminuidas por los siguientes factores, los cuales pueden controlarse:

1. La carga: Influye en forma directamente proporcional a la fricción; sin embargo, es parte de todo mecanismo y en la mayoría de los casos s difícil modificar.

2. Naturaleza de los materiales: Dependiendo de su naturaleza química, los cuerpos pueden presentar mayor o menor fricción. Ejemplo: Dos superficies de acero que deslizan presentan mayor fricción que dos superficies de teflón bajo las mismas condiciones de trabajo.

3. El acabado de las superficies: Los coeficientes de fricción son mayores cuando las superficies son ásperas que cuando son pulidas.


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4. Forma de los cuerpos: La fricción por rodamiento es menor que la fricción por deslizamiento. Los cuerpos esféricos o cilíndricos, por lo tanto, ocasionan menor fricción.

5. La lubricación utilizada.

3.3 DESGASTE Es consecuencia directa de del rozamiento metal-metal entre dos superficies y se define como el deterioro sufrido a causa de la intensidad de la interacción de sus rugosidades superficiales. El desgaste puede llegar a ser crítico, haciendo que las piezas de una máquina pierdan sus tolerancias y queden inservibles, causando costosos daños y elevadas pérdidas de producción. [3]

3.3.1 Tipos de desgaste 3.3.1.1 Adhesivo. Adhesivo.

Se presenta cuando las irregularidades de una superficie interactúan directamente con las de otra, se adhieren y se sueldan, dando lugar en la mayoría de los casos al desprendimiento de partículas.

Causas: Falta de aplicación de un lubricante. Rompimiento de la película límite por agotamiento o por sobrecarga. Bajo nivel, viscosidad o presión del aceite en el sistema. Alto nivel, viscosidad o presión del aceite en el sistema.


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3.3.1.2 Abrasivo. Abrasivo.

Es el resultado de la presencia entre las superficies en movimiento relativo de partículas extrañas de igual o mayor dureza a la delos materiales que los conforman. Las partículas abrasivas se incrustan ellas mismas en una de las superficies y actúan como una herramienta de corte, removiendo material de la otra superficie.

Causas: Problemas de filtración. Presencia de partículas sólidas de igual o mayor tamaño al juego dinámico. Presencia de partículas sólidas de menor tamaño al juego dinámico con incremento de la carga. Las partículas sólidas provienen de algún otro tipo de desgaste o del medio ambiente.

3.3.1.3 Corrosivo. Corrosivo.

Es el deterioro lento y progresivo de las superficies metálicas al estar presente sustancias ácidas que afectan la metalurgia delos mecanismos. Este tipo de desgaste también se puede presentar por vibraciones en el sistema, que interrumpen la película lubricante y hacen que la humedad del ambiente corroa las superficies.

Causas: Intervalos de uso del aceite muy prolongado (aceite oxidado) Contaminación del aceite con ácidos o con agua. Vibraciones y humedad en el ambiente (maquinaria textil)

3.3.1.4 Erosivo. Erosivo.

Es causado por un fluido a alta presión y puede llegar a ser crítico si tiene partículas


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sólidas en suspensión, las cuales al impactar sobre las superficies arrancan material de ellas, debido al efecto de los momentum de las partículas. La pérdida de material puede ser significativa, provocando roturas por fatiga.

Causas: Alto nivel del aceite. Alta viscosidad del aceite. Alta presión del sistema. Partículas sólidas en el aceite fluyendo a alta presión.

3.4 FATIGA SUPERFICIAL. Se presenta como consecuencia de los esfuerzos cíclicos de tensión, compresión y esfuerzos cortantes sobre una superficie, los cuales dan como resultado grietas profundas de fatiga que causan finalmente la aparición de picaduras y escamas.

3.5 LUBRICACIÓN Lubricación es interponer entre dos superficies, generalmente metálicas expuestas a fricción, una película fluida que las separe a pesar de la presión que se ejerza para juntarlas. juntarlas. La lubricación lubricación elimina el contacto directo de las superficies superficies metálicas, metálicas, impide su desgaste y reduce al mínimo el rozamiento que produce pérdida de potencia.

3.6 IMPORTANCIA DE LA LUBRICACION Los costosísimos y complicados equipos industriales que requieren laindustria


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moderna no podrían funcionar, ni siquiera unos minutos, sin el beneficio de una correcta lubricación. El costo de ésta resulta insignificante comparado con el valor de los equipos a los que brinda protección. La utilización del lubricante correcto en la forma y cantidad adecuada ofrece entre otros los siguientes beneficios. [3] Menor costo de mantenimiento de la máquina. Ahorro de energía. Facilita el movimiento Reduce el ruido. Mantiene la producción Reduce el desgaste de las piezas en movimiento.

3.7 ANÁLISIS DE ACEITE Consiste en estudiar el aceite de trabajo una maquina o equipo, con el fin de conocer el estado tanto del propio aceite como del grado de desgaste de los componentes de la maquinaria o equipo. El análisis de aceite muestra materiales de desgaste que están en suspensión. Esto indica cuando hay desgaste y de que parte del equipo viene. El proceso de analizar aceite requiere equipo sofisticado y calibrado. También requiere personal bien entrenado para operar el equipo y evaluar los resultados.

3.8 APLICACIÓN DEL ANÁLISIS DE ACEITE El análisis de aceite es el ampliamente aceptado y aplicado de la tecnología de forma más proactiva de mantenimiento. Es una parte integral de el plan de mantenimiento para centrales eléctricas, plantas de manufactura, compañías de transporte, equipos de construcción, aeronaves, sistemas de refrigeración, refrigeraci ón, el procesamiento y plantas químicas, etc. Cualquier pieza de equipo que tiene un sistema de lubricación es una


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excelente candidato para el análisis de aceite. Un programa de análisis de aceite con éxito requiere un esfuerzo sostenido y organizado. Tanto el usuario y el laboratorio deben trabajar estrechamente para alcanzar los resultados deseados.


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