Aspectos básicos sobre la clasificación del desgaste

Conceptos y definiciones

Si se analiza el concepto de desgaste en el sentido amplio de la palabra existen varios significados:

1-Daño ocasionado por el exceso de uso, bajo condiciones de fricción, o producto del agotamiento de las propiedades del metal.

Webster-ll-New Riverside Diccionary.

2-Disminución de las dimensiones de una pieza o elemento de máquina provocado por el uso prolongado en diferentes medios.

Larousse, Diccionario Internacional.

3-Distribución de la superficie de un material causado por el movimiento relativo de este respecto a otro.

MC Graw-Hill, Diccionario Técnico

En el campo de la metalurgia y en la construcción de maquinarias existen numerosas definiciones abordadas por distintos autores e instituciones científicas que estudian muchas veces desde puntos de vista diferentes los problemas del desgaste. Por esta razón es que no existe una clasificación universal del desgaste, fundamentalmente respecto a los distintos tipos y formas en que puede manifestarse. Sin dudas que definir el desgaste es difícil y casi siempre constituye un problema de selección y descripción del tipo de desgaste.

A pesar de las diferencias existen en cuanto a la terminología utilizada para definir el desgaste, el mecanismo mediante el cual este se produce, y las causas que lo originan si están bien definidas y estudiadas hace varios años. Además están establecidos los fenómenos más significativos que actúan en cada uno de ellos.

Una de las clasificaciones del desgaste más antiguas que se conoce fueron establecidas por Siebel en el año 1938 (8). En dependencia de la naturaleza de las condiciones externas propuso una clasificación donde se distinguen los siguientes tipos de desgaste:

-De superficies secas deslizante.

-De superficies lubricadas deslizantes.

-De superficies secas rodantes.

-De superficies lubricadas rodantes.

-Por contactos vibraciónal.

-Por partículas sólidas en movimiento (Erosión).

-Por líquido en movimiento (Cavitacion).

Según la clasificación de BURWELL (2) el desgaste se caracteriza y se divide de acuerdo al mecanismo mediante el cual este se produce. Por esta razón este autor clasifica el desgaste en cuatro grupos que son los siguientes:

1-Desgaste adhesivo

2-Desgaste abrasivo

3-Desgaste corrosivo

4-Desgaste por fatiga superficial

En la literatura (10) se plantea que el desgaste es la disminución gradual de las dimensiones y el cambio de formas de la superficie de las piezas debido al rozamiento y según su clasificación el desgaste se divide de las siguientes formas:

-Desgaste mecánico.

-Desgaste mecánico molecular.

-Desgaste mecánico por corrección.

Según el punto de vista de Strett (11) el desgaste se divide en 3 formas fundamentales:

-Erosión.

-Cavitación.

-Fricción.

Este autor hace una caracterización del desgaste en función del medio que separa las superficies de las piezas que se deterioran y de acuerdo a la acción de los cuerpos que interactúan.

Strett representa el fenómeno del desgaste entre dos cuerpos a partir de tres etapas:

A-Efecto de incubación de la partícula dura.

B-Efecto de rotura frágil de la superficie.

C-Deformación plástica.

De acuerdo a los criterios del científico soviético A.K.Zailisev el desgaste se divide según los fenómenos y procesos que se producen durante la destrucción de las piezas superficialmente. Este autor clasifica el desgaste de las formas siguientes:

1-Desgaste mecánico

2-Desgaste físico mecánico

3-Químico mecánico

4-Complejo

Streeter en sus trabajos relacionados con la recuperación de piezas (12) da una clasificación sobre la base los mecanismos en que se produce el fenómeno del desgaste, su clasificación es la siguiente:

1-Abrasión.

2-Impacto.

3-Fricción.

4-Corrosión.

5-Calor.

6-Erosión.

7-Cavilación.

Según los estudios realizados por Jaedor (7) el desgaste esta dividido en 2 grupos diferentes. Estos grupos están diferenciados en función del mecanismo de desgaste bajo el cual este se produce.

Desgaste mecánico

Abrasión: – baja fuerza

– alta fuerza

Fricción: – metálico

– oxidación

Impacto. Choques con alta carga (alta energía cinética).

Cavitacion. Baja energía cinética y alta frecuencia en un medio liquido.

Erosión. Acción de partículas finas actuando con ángulos diferentes sobre una superficie.

Calor. -Efecto térmico que afecta las propiedades mecánicas estructurales o químicas del material.

Desgaste corrosivo

Disolución – Reacción química o disolución de la superficie.

Acción Galvanica – Dos o más componentes metálicos reaccionando con uno u otro en una solución con conductividad eléctrica.

Corrosión por picadura- Disolución localizada.

Corrosión intergranular- Disolución localizada entre los granos de la estructura de un metal.

Efecto de hidrogeno– Formación de Hidrides de hidrogeno como consecuencia de una alta presión interna.

Corrosión bajo carga – Fuerzas o cargas combinadas.

La norma TGL 0-50320 expresa el concepto de desgaste de la siguiente forma:

"Desgaste en el sentido de la técnica se entiende por el cambio de las superficies producto del desprendimiento o pérdida de material como consecuencia de causas mecánicas." (3).Esta norma divide el desgaste en función de la forma de interacción de los cuerpos que intervienen durante el proceso.

-Desgaste friccional.

-Desgaste por rodadura.

Desgaste por deslizamiento de metal – metal

La norma soviética Gost 16420-70 define el desgaste de forma general de la siguiente forma. "El desgaste es el proceso de variación constante de las dimensiones de un cuerpo o superficie durante el período de trabajo." Esta norma plantea además que el desgaste en los elementos de máquina se clasifica según las causas principales que lo producen:

-Desgaste mecánico.

-Mecánico molecular.

-Abrasivo.

-Hidro abrasivo.

-Gaso abrasivo.

-Otros tipos.

Otros autores como Avery (1) ha estudiado el problema del desgaste de forma combinada púes sin dudas que la mayoría de los problemas prácticos de deterioro de los elementos de máquina no esta presente de forma aislada un solo tipo de desgaste púes casi siempre existe la influencia de varios fenómenos originan al mismo tiempo un efecto destructivo.

Este investigador ha estudiado las formas más frecuentes que según sus criterios puede manifestarse el desgaste así como distintas formas en que comúnmente se desarrolla el fenómeno destructivo sobre la superficie de las piezas.

-Cavitación-Erosión.

-Impacto-Abrasión.

-Erosión-Corrosión.

-Erosión con impacto de partículas con alta energía.

-Erosión baja acción abrasiva.

-Abrasión con alta fuerza de fricción.

Para el estudio de cada uno de los tipos de desgaste es imprescindible según consideraciones de Avery conocer una serie de factores que influyen de forma significativa en el mecanismo destructivo de las piezas. Estos factores son los siguientes:

1-Velocidad de la partícula abrasiva.

2-Ángulo de ataque.

3-Concentración de la carga.

4-Tamaño del grano abrasivo.

5-Naturaleza del grano abrasivo.

6-Intensidad y forma del impacto.

7-Temperatura.

Como se ha podido apreciar el estudio de los fenómenos del desgaste es estudiado muchas veces de acuerdo a criterios propios y en cada caso se analiza factores diferentes. En la práctica se han presentado muchas veces dificultades para explicar sistemáticamente los procesos relacionados con el desgaste, púes además de la complejidad que lleva implícito los procesos del desgaste existen también impresiones referidas al término "desgaste". Como se observan en las diferentes definiciones y clasificaciones referidas al desgaste abordadas en el trabajo existen distintas denominaciones desarrolladas por distintos autores y normas. Por esta razón es imprescindible un esquema de clasificación del desgaste en el cual se conserven los términos prácticos, precisando unívocamente su significado.

Entre los más conocidos esquemas de clasificación del desgaste se encuentran los siguientes:

1-La clasificación según el tipo de movimiento relativo.

2-La clasificación según el tipo de mecanismo de formación del desgaste.

Si se hace un análisis del desgaste ocasionado en un sistema mecánico dado, las pérdidas deben estar relacionadas con el tipo de movimiento, trabajo, carga aplicada, así como por la estructura (los elementos del sistema, las propiedades mecánicas de sus elementos, etc.).

Existe una definición unívoca del desgaste conociendo en un sistema las siguientes características. (11).

a) El tipo de movimiento relativo.

b) Los elementos que interactúan.

c) El mecanismo fundamental del desgaste.

Estas tres características determinan el tipo de desgaste, sin embargo para dar una descripción cuantitativa es necesario considerar además los siguientes factores:

1-El trabajo aplicado al sistema, para lo cuál es preciso conocer la fuerza normal, el coeficiente de fricción, y la temperatura o camino de deslizamiento.

2-Las propiedades del material.

3-La intensidad del desgaste.

4-Las características de la superficie de contacto.

En la tabla 1, se muestra una de las formas de clasificación del desgaste más universal (11) (3) (6), basado en la característica a, b y c mencionadas anteriormente.

Tabla 1 . Clasificación de los mecanismos de desgaste

Esta clasificación de desgaste se hace sobre la base del movimiento relativo, en analogía con los tipos de fricción. Este constituye el modo más práctico de agrupar los tipos de desgaste, púes generalmente es muy difícil distinguir los verdaderos procesos que ocurren en las superficies gastadas.

En los elementos de máquinas el desgaste está relacionado con cuatro formas fundamentales de movimiento relativo: deslizamiento, rodadura, choque, y vibración. Los mecanismos de formación del desgaste se dividen en los siguientes grupos:

a) Por fatiga superficial.

b) Abrasivo.

c) Adhesivo.

d) Corrosivo mecánico.

En cada una de las formas de movimiento relativo, puede actuar uno o varios mecanismos fundamentales de desgaste como se muestra en la tabla 1.

Desgaste por fatiga superficial

El desgaste por fatiga superficial generalmente se considera debido a la acción de tensiones o esfuerzo superficiales, sin existir necesariamente otras interacciones físicas entre las superficies de los cuerpos sólidos. Este proceso de desgaste esta relacionado con ciclos de tensiones repetitivas en el contacto por rodadura o por deslizamiento. En este caso el deterioro del material se produce por la existencia de tensiones variables, es decir, la superficie de trabajo se encuentra sometida en el transcurso del período de trabajo tanto a tensiones de tracción como de compresión.

Se ha demostrado que desde el punto de vista físico, el estudio de la fatiga por contacto concite fundamentalmente en elevar la concentración de tenciones, determinante en los procesos de nacimiento y propagación de grietas por fatiga. Los modelos que se emplean para la forma clásica del desgaste por fatiga pueden emplearse además para comprender las recientes teorías del desgaste, basadas precisamente en la formación y propagación de grietas, como se puede observar en la figura 1.

Figura 1. Surgimiento del desgaste por Fatiga superficial.

Basándose en la teoría de las dislocaciones, pueden elaborarse algunos mecanismos del nacimiento de las grietas. Estos mecanismos del nacimiento de grietas fueron concebidos inicialmente para los fenómenos de fatiga volumétrica, pero pueden en alguna medida ser empelados en el análisis de los fenómenos que ocurren cerca de la superficie.

Las formas fundamentales del nacimiento de grietas son las siguientes:

-Acumulación de las dislocaciones en los planos de deslizamiento contra las fronteras de los granos.

-Empalme de las dislocaciones, con la formación de grietas a lo largo del plano de división.

-Formación de grietas en las fronteras.

Otro mecanismo de nacimiento de grietas superficiales se basa en la influencia de las inclusiones. Las grietas pueden organizarse a partir de defectos tales como inclusiones de óxidos y por la existencia de carburos en la superficie del metal que posibilitan la unión de las dislocaciones y el surgimiento de la grieta superficial.

Por la acción de otros mecanismos, pueden formarse grietas de dimensión atómicas que posteriormente pueden propagarse y dar como resultado el desgaste por fatiga superficial.

Desgaste abrasivo

Se llama desgaste abrasivo el que sufre la superficie de un elemento de maquina como resultado de la acción cortante o por ralladura de un cuerpo o partículas duras (3) (8).

A igual que en los procesos de fatiga superficial, el desprendimiento de porciones de metal en el proceso desgaste abrasivo también esta ocasionado en lo fundamentas a los procesos de deformación por contacto (11).

El desgaste abrasivo esta determinado por la presencia de partículas abrasivas en la zona de fricción y la destrucción de la superficie o como resultado de la deformación plástica local, microrrayaduras y microcortes cuando en el medio en que trabaja la pieza existen elementos que tienen o desprenden partículas de alta dureza (4).

El mecanismo de separación de las partículas de la superficie de contacto se origina debido a que las irregularidades del material mas duro se introducen en la estructura del mas blando mediante el deslizamiento plástico .En presencia de un movimiento tangencial, la superficie dura se deslizaría formando surcos en la superficie de menos dureza, pudiendo desprender al mismo tiempo material de este.

La destrucción del metal producto de microcortes o debido a la deformación plástica esta estrechamente relacionada con las condiciones de trabajo de la pieza y de la naturaleza de las partículas abrasivas ha establecido experimentalmente (12) (13) que el mecanismo de desgaste abrasivo queda determinado fundamentalmente por la relación entre los valores de dureza del material (Hm.) y la dureza de las partículas abrasivas (Ha).

En la figura 2 , se represente la superficie de fricción para el caso del desgaste abrasivo por microcortes y por separación plástica.

Figura 2. Representación esquemática para el caso del desgaste abrasivo por microcortes y por separación plástica.

Algunos autores (7) consideran que el desgaste abrasivo de los elementos de maquina puede ocurrir solamente por la acción mecánica de un cuerpo al actuar sobre la superficie del otro, en este caso lo denominan desgaste por destrucción mecánica.

Cuando además de existir la interacción mecánica de dos cuerpos se presenta también la acción de un medio que reacciona químicamente sobre la superficie, se considera desgaste por destrucción mecánico química .Este ultimo caso es el fenómeno de la corrosión de los metales en la forma mas frecuente de la acción química del medio exterior sobre las superficies de las piezas de máquina.

Según el carácter del medio exterior la corrosión se puede dividir en tres tipos fundamentales, admofisica, gaseosa, y corrosión en un medio electrolítico.

Cuando existe en una superficie el desgaste mecánico químico este es mucho mas intenso, pues la acción mecánica destructiva es favorecida por el medio ambiente.

Se considera que en el medio abrasivo durante el periodo de trabajo existe por ejemplo H2O u otro medio líquido el desgaste abrasivo se complementa notablemente. Este es como resultado de que dos fluidos favorecen el efecto cortante de la articula dura. (2)

Desgaste adhesivo

Adhesión o desgaste adhesivo se denomina en muchas ocasiones como desgaste severo y constituye el punto de partida para desarrollar el proceso de deterioro entre las superficies de los metales al producirse un rozamiento sobre ellos (3).

En el mecanismo de desgaste adhesivo el papel principal lo juega la interacción entre los materiales, y surge como resultado de la destrucción superficial de uno o de ambos materiales en contacto. En la figura 3, se muestra la forma clásica mediante el cual se desarrolla el desgaste adhesivo.

Figura 3. Características del desgaste adhesivo.

Este tipo de desgaste puede originar el deterioro en forma adhesiva o desgarramiento en las superficies de las piezas de los mecanismos.

En muchos casos se observan porciones relativamente grandes de material trasladados al cuerpo opuesto y firmemente adheridas a su superficie por soldadura en frío.

Si se analiza el mecanismo físico del desgaste adhesivo es necesario considerar los procesos y parámetros de adhesión y de ruptura de las capas superficiales, así como la influencia del medio. Sobre este último aspecto se han realizado trabajos investigativos (6) en los que se ha demostrado la influencia de la temperatura en el comportamiento de los materiales respecto a la resistencia del desgaste adhesivo en una situación dada.

Por otra parte el desgaste adhesivo al estar provocado por los parámetros de adhesión y ruptura de las capas en contacto es característico en pares de deslizamiento metal metal.

La unión metálica adhesiva en la superficie de separación o borde en cualquier par metálico sin existir relación directa entre la solubilidad (volumétrica) de los metales de el par y en su enlace adhesivo (superficial) (11).

La estructura cristalina de los materiales en contacto tiene influencia considerable en el desgaste adhesivo. Los metales con estructura cristalina hexagonal tienen menos tendencias al desgaste adhesivo que los de estructura cúbica centrada. Esto sin dudas esta relacionado con la forma diferente de deformación plástica de las irregularidades y la cantidad de sistemas aptos para el deslizamiento (planos de deslizamiento) en los sistemas cristalinos.

La orientación de los cristales determina en la intensidad del desgaste adhesivo. De forma general una alta densidad de átomos y orientación de granos característicos de poca energía superficial trae consigo menores fuerzas adhesivas y menor desgaste que en otra formas de orientación.

Cuando las superficies en contacto son de metales de diferentes naturalezas, el proceso de desgaste adhesivo se caracteriza por el traspaso de partículas del material de menos cohesión al de mayor.

La presencia de elementos de aleación influyen en el proceso de desgaste adhesivo, por ejemplo el carbono disminuye significativamente la adhesión de las aleaciones metálicas. El calor desprendido producto de la fricción provoca la difusión del carbono hacia la superficie alcanzándose en la misma una mayor concentración que en el interior del material.

Desgaste corrosivo mecánico

El desgaste corrosivo mecánico se produce como resultado de la interacción mecánica de las superficies en contacto por la influencia de las condiciones del medio en que se produce. En este caso particular existen diferencias respecto a los mecanismos de desgaste por fatiga superficial, desgaste abrasivo, y desgaste adhesivo, pues este se desarrolla producto de la interacción de deformación y de adhesión de las superficies en contacto (12).

Cuando se habla de desgaste corrosivo solamente se considera como un proceso en que la destrucción ocurre debido a la acción química o electroquímica del medio exterior. Este efecto ocurre teniendo en cuenta las siguientes características:

Primero la destrucción del metal siempre comienza a partir de la superficie, segundo el aspecto exterior de la pieza se modifica, tercero como resultado de la corrosión el metal comúnmente se transforma en oxido u oxido hidratado.

Según el carácter del medio exterior la corrosión se puede dividir en tres tipos fundamentales:

Atmosféricas, Gaseosa, Corrosión en medio electrolítico.

La corrosión atmosférica se desarrolla a presión normal y temperatura no superior a los 80ºC. Las piezas de maquinas en este caso se encuentran en contacto con el aire atmosférico el cual siempre contiene alguna cantidad de humedad.

Las porciones pequeñas de agua son electrolitos (debido a la segura presencia en ella de sales y ácidos) las que se adhieren a la superficie de el metal y crean condiciones para el surgimiento de elementos micro galvánicos.

La corrosión gaseosa constituye el caso mas frecuente de corrosión. El medio exterior puede ser gas, aire caliente o vapor. En la mayoría de los casos la corrosión gaseosa es el resultado de la interacción de el hidrogeno del aire con el metal formando en la superficie del metal una capa de oxido la cual presenta las mayores condiciones deformación a temperaturas superiores a los 300ºC.

La corrosión de los metales en medio electrolítico se presenta en el caso de la corrosión electroquímica correspondiente a la acción constante del agua sobre el metal conteniendo una cantidad considerable de sales, ácidos y alcalinos.

Algunos investigadores plantean que el desgaste corrosivo se pone de manifiesto siempre que las piezas de los elementos de máquina tengan su superficie en un medio donde existe la posibilidad de interacción química.

Cuando en una superficie determinada de una pieza además de existir la influencia del medio sobre el deterioro se presenta la acción de otro cuerpo, estamos en presencia del desgaste corrosivo-mecánico. En este tipo de desgaste interactúan tres elementos fundamentales:

-Cuerpos 1y 2 y el medio. Figura 4.

Figura 4. Comportamento del desgaste Corrosivo Mecánico.

Este proceso puede considerarse como un proceso cíclico por etapas.

Durante la primera etapa las superficies 1 y 2 reaccionan con el medio obteniéndose un producto complementario producto de esta reacción. Segundamente se produce el desprendimiento de los productos de la reacción provocando como resultado la formación de grietas que pueden originar a la vez el desgaste abrasivo debido a la interacción de los cuerpos 1 y 2(contacto mecánico). Al producirse desprendimiento de partículas en la capa superficial aparecen zonas nuevas y por lo tanto la repetición del proceso.

En este tipo de desgaste interviene también la energía de fricción debido a la activación calórica y mecánica se producen en las irregularidades superficiales diferentes cambios. Al aumentar la temperatura en las irregularidades se incrementa también la actividad química y como resultado se acelera la formación de capas superficiales.

En otros casos se modifican las propiedades mecánicas de las capas superficiales por ejemplo el aumento de la fragilidad lo que acelera el proceso de desprendimiento de partículas.

Conclusiones

• Existen en la literatura diversas formas de calificación del desgaste , donde se tienen en cuenta de forma general los siguientes aspectos :

1-La clasificación según el tipo de movimiento relativo.

2-La clasificación según el tipo de mecanismo de formación del desgaste.

• La forma de clasificación del desgaste más universal para la clasificación del desgaste se basa en las siguientes características.

a) El tipo de movimiento relativo.

b) Los elementos que interactúan.

c) El mecanismo fundamental del desgaste.

• Sobre la base de los aspectos anteriores la forma mas extendida para clasificar el desgaste se basa en el mecanismo fundamental que determina el deterioro y es la siguiente :

ABRASIÓN.

ADHESIÓN.

FATIGA SUPERFICIAL

CORROSIVO MECÁNICO.

• Es importante considerar que muchas veces en el desgaste de una superficie pueden estar presente simultáneamente varios mecanismos de desgaste, por ejemplo: ABRASIÓN Y CORROSIÓN, ABRASIÓN Y ADHESIÓN etc.

Bibliografía

• 1- Avery H. Mantenimiento Industrial por soldadura.

ABEX Corporation. Boletín técnico. No. 22.1980.

• 2- Dobrovolski. V. Elementos de Máquina. Moscú 1976 Pag. 54.

• 3- Fleisher. G. T. Verschleiss and Zuwerlassigteit.

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• 4- Kachev V. V. fisch tein BM .Metode pogischionige dolgovechmosti ditalier mschin. E. maschinstroginigi. Moscú 1971 Pag. 213.

• 5- Hayricks P. L. Some aspects of the metallurgy and wear resistance of surface coatings. Wear , No. 22 1972, Pag. 291.

• 6- Hurrieks P. L. The fritting wear of mild Steel from room temperature to 200 ºC, wears. Vol. 3 23, año 1972. Pag. 207

• 7- Jaedor. F. T. Modern wears Tecnology and Control.

Manual Técnico Canadá, 1985, Pag.4.

• 8- Martínez F. Castañeda S. Fundamentos teóricos del desgaste abrasivo.

Revista Construcción de Maquinaria. No. 8, mayo-agosto, 1983. Pag. 161.

• 9- Martínez .J. Martínez .F. Teoría y Práctica del Rozamiento.ISPAJAE. La Habana, 1986 ,Pag. 28.

• 10- Reshetov.D. Elementos de Máquina, Uneshtorgizdat. Moscú, 1981,Pag. 23

• 11- Strett. H. Desgaste superficial. Schwistechnik., Viena. No. 3, 1978, Pag. 37.

• 12- Streeter John: Curso sobre recuperación de piezas, Serie técnica, 1980, Pag. 97.

• 13- Tenembuam.M.M. Desgaste de los materiales de construcción y los elementos de máquina .Editorial Maschinoestronie, Moscú, 1966, Pag. 114.

Autor:

Manuel Rodríguez Pérez

Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas, Carretera a Camajuaní km 5½, Santa Clara, Villa Clara, CP. 54830, Cuba.

Mayo del 2013