I.-DESCRIPCION GENERAL Y FENOMENOS BASICOS EN LA TRIBOLOGIA

1.1 ANTECEDENTES

Los fenómenos de fricción, lubricación y desgaste fueron conocidos desde tiempos muy antiguos pero con el desarrollo del transporte y la maquinaria, la física se fue volviendo cada vez mas especializada, de tal manera que hasta hace aproximadamente veinte años se estableció la tribología como un apartado de esta ciencia, que agrupa los fenómenos de fricción, lubricación y desgaste. Podemos decir que el campo de aplicación de la tribología son todos los fenómenos o procesos físicos relacionados con la fricción, lubricación y desgaste, tanto los daños que provocan en las piezas como la manera de reducirlos. La tribología podemos describirla como una ciencia, pero también como una tecnología.



El atacar estos problemas es muy importante para la nueva tecnología porque se necesita reducir el consumo de potencia e incrementar la durabilidad de las máquinas y sus elementos.

La tribología como ciencia nueva en el occidente fue formalmente establecida en el año 1966 en la Gran Bretaña después del informe preparado por un equipo de expertos dirigidos por el doctor J. Peter Jost y J. Sheffield, donde se informaba al parlamento de la tecnología de lubricantes y las pérdidas por daños en maquinaría en ese país, este informe fue llamado desde entonces Reporte de Jost y en esa ocasión se propuso la impartición de la materia de tribología en las diferentes universidades del país y en otros niveles de educación.

Se definió entonces como “La ciencia y tecnología relacionada con las superficies que interactúan entre si y presentan movimientos relativos, así como todos los aspectos prácticos relacionados con éste fenómeno".

En México se inició esta ciencia con el primer simposium internacional de tribología auspiciado por la Academia Nacional de Ingeniería en 1985 y hasta la fecha cada vez se generaliza mas su estudio en las diferentes universidades {Sociedad De Tribólogos E Ingenieros en Lubricación Sección Cd. de México ( Sitio en Internet, stle-ia.org.)}.


1.2 IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA.

Dentro de los aspectos que se incluyen en el estudio de la tribología esta la aparición de nuevos materiales antifricción y el efectuar las pruebas necesarias para conocer sus propiedades.

Por otra parte, la tecnología actual necesita nuevos procesos de manufactura para obtener los elementos mecánicos y estos se relacionan con la formación de la capa exterior de los propios elementos, siendo muy importante la estructura de dicha capa y los medios para cambiar sus propiedades.

Anteriormente se aplicaban los fenómenos de fricción, lubricación y desgaste como elementos aislados para el diseño pero en la actualidad se necesita interrelacionarlos para entender los fenómenos de fricción molecular y así poder desarrollar procesos especiales de manufactura y la sustitución de materiales para reducir el desgaste.

La tribología se ocupa de todos los fenómenos que aparecen cuando dos superficies están en contacto, además es bien conocido que el desgaste depende de la topografía de la superficie, sus características físicas y químicas y las propiedades mecánicas de la capa exterior de la pieza. Últimamente se han aplicado procedimientos de probabilidad para establecer las condiciones de una superficie rugosa.

También el estudio de los diferentes lubricantes, sus características y procesos de fabricación son campos de la tribología.

Nuevos materiales de gran resistencia al desgaste se han obtenido por métodos modernos de producción como la metalurgia de polvos ion-implantación, CVD y PVD cuyas ventajas han sido estudiadas por la tribología.

Otros procesos que también se estudian, son la influencia de vibraciones en el desgaste, la espectrografía del aceite y la ferrografía. La tribología ha sido un factor importante para el desarrollo de equipos tipo CAD-CAM cuyo proceso automático reduce la vigilancia natural del operador en los desgastes y vibraciones del equipo.


1.3 TIPOS DE FRICCIÓN

Para poder describir los problemas que se presentan en la tribología es importante hacer una clasificación detallada de los diferentes fenómenos que se estudian en ella, siendo de los más importantes la fricción que se puede clasificar de acuerdo a los diferentes criterios como son los siguientes.

a) Por su movimiento.












b) Por su localización

-Exterior (Sólido con sólido)

-Interior (Moléculas de un fluido, fricción intermolecular)


c) De acuerdo a la sustancia

-Fluidos (fluida, fronteriza)

-Sólidos (Deformaciones elásticas y plásticas de los materiales)


También podemos hacer una clasificación de fricción de acuerdo al grueso de la capa lubricante, de la siguiente manera:

con base a las fuerzas y las cargas aplicadas podemos utilizar las clasificaciones anteriores para describir los fenómenos básicos y mecanismos de contacto que estudia la tribología.


1.4 MECANISMOS DE DESGASTE.

En la estructura de un material sólido actúan dos fuerzas de acción recíproca, entre átomos y entre moléculas, que son las conexiones atómicas (de corta distancia) y las fuerzas de Van Der Walls (de larga distancia). Para la tribología las fuerzas mas importantes son las de Van Der Walls, las distancia que se maneja en estas fuerzas son de algunos nanómetros y en esas distancias actúan las fuerzas que causan adhesión entre dos superficies externas de los cuerpos en contacto, que son las llamadas fuerzas superficiales que aparecen durante la formación de la superficie, siempre la energía superficial en los átomos exteriores es mayor que en el interior del cuerpo.

Representación de las fuerzas de Van Der Walls.


SUPERFICIE EQUILIBRADA

y se interpreta como la entropía de la superficie para el área unitaria. El valor de la Es se considera en consecuencia como la diferencia entre la energía de todas las moléculas de una capa

dentro del cuerpo contra la energía de la capa superficial del cuerpo.

La energía superficial depende también de la forma de la superficie, cuando el perfil superficial es muy desarrollado y con grandes variaciones, la energía superficial y la tensión serán considerablemente más altas que en un perfil plano.

Las moléculas que quedan en los bordes de las superficies del cuerpo o en lo límites de grano cristalino son las que tienen mayor energía y los procesos de desgaste se inician en ellas ya que son la parte más débil de la estructura, por lo regular el desgaste se advierte hasta que son arrancados granos cristalinos o conjuntos de granos de la superficie y son visibles con una lupa común.

SUPERFICIE IRREGULAR

Análisis del mecanismo de desgaste.

El desgaste de los elementos sólidos se puede analizar desde varios puntos de vista, para nuestro caso recurrimos a la clasificación de desgastes tribológicos para identificar las condiciones de trabajo y así tenemos la siguiente clasificación:

Desgaste por Adhesión.

Cuando podemos acercar dos superficies de manera que puedan actuar las fuerzas de Van Der Walls, obtenemos una conexión entre ellas gracias a la absorción física y recibe el nombre de juntura adhesiva y al fenómeno general se le llama adhesión. Para acercar lo suficiente las dos superficies y obtener esta conexión necesitamos aplicar una fuerza grande de una superficie contra la otra para que se presente un área real de contacto que es pequeña en comparación con el área nominal de las superficies, el área real se puede estimar con la siguiente relación:

C = Constante que depende de la geometría y del material, de la superficie.
N= Fuerza normal

En los puntos de contacto aparecen las soldaduras o juntas adhesivas y estas tienen a menudo propiedades diferentes a los de los materiales originales. Lo peor es que la resistencia de la soldadura sea más alta que uno o ambos materiales lo que hará que se desprendan partículas duras ocasionando un desgaste grave y fuerzas de fricción enormes.

Difusión.

Los procesos de difusión aparentemente depende de la temperatura y esta aumenta debido al calor que se produce durante la fricción entre dos superficies, los átomos de los metales tienen mucha movilidad lo que ayuda a que se de este proceso. Consiste en absorción atómica de una sustancia en otra y se puede dar a través de tres mecanismos que son: por el movimiento de las valencias, por el movimiento de los átomos o por el intercambio de los iones atómicos. La difusión implica que penetra un material en otro particularmente los metales y sucede solamente en las capas superficiales del material.


Desgaste por oxidación.

La corrosión es un proceso químico o electroquímico que facilita los procesos de desgaste al cambiar la naturaleza de las superficies en contacto y por lo tanto el valor de la fricción.

Como proceso se entiende que es la degradación de los materiales especialmente metales debido a reacciones químicas con el medio, esta acción depende mucho del tipo de material. Los metales tienen una alta actividad y liberan sus átomos en forma de iones en los materiales de baja actividad dejando libres sus electrones, con este proceso se establece una corriente que destruye el ánodo y preserva el cátodo. El conocimiento de este proceso se utiliza para proteger las piezas importantes, este fenómeno también sucede en la red cristalina destruyéndose los cristales de un material principalmente en aleaciones (corrosión inter cristalina) y el evitarla en ocasiones es imposible. Dependiendo de las condiciones de trabajo, la corrosión puede ser desde un problema secundario hasta la causa principal del deterioro de una pieza.

Desgaste por abrasión.

Microfotografía de desgaste por abrasión

La abrasión es un desplazamiento elástico y plástico de los granos cristalinos de una superficie, estos rompimientos pueden ser explicados por la mecánica de sólidos y la física de los metales. Para comprender mejor éstos fenómenos de desplazamiento y rompimiento de las estructuras, es necesario estudiar la física de los materiales, lo metales tienen muchos defectos como huecos cristalinos, dislocaciones y límites de grano e incluso defectos en las propias estructuras atómicas.
Cuando se aplica una fuerza a un grano cristalino, primero se provocan desplazamientos elásticos y como la estructura no es perfecta aparecen concentraciones de esfuerzos y éstos valores pueden superar el punto de cedencia. La temperatura también influye en la capacidad para soportar esfuerzos, si aumentan los esfuerzos rápidamente, empezará la microfisuración.

El desplazamiento plástico depende de la perfección de la estructura cristalina, los desplazamientos de material tienen lugar en dirección de los planos de resistencia más baja, durante el desplazamiento de éstos planos se destruye la superficie y otros planos toman su lugar ocasionando la destrucción de toda la estructura, cambian las propiedades mecánicas del material, aumenta su dureza apareciendo deformaciones y concentraciones de esfuerzo. Durante el desplazamiento de las dislocaciones todos los defectos de la estructura se mueven, algunos se conjugan y otros se detienen pero rápidamente crece el número de defectos.

La naturaleza de estos procesos se explican en la teoría de Griffits donde se mencionan además los fenómenos de adhesión, absorción y difusión.

Basándose en la resistencia estática de materiales los científicos Davidenkof y Friedman prepararon un diagrama hipotético que explica el comportamiento de los metales durante el desplazamiento que puede ocasionar fisuras.

El estado de esfuerzos del material se indica en el diagrama con las líneas rectas . Las propiedades del material se grafican como líneas verticales y horizontales, cada material tiene sus propias limitaciones de resistencia-cedencia y desplazamientos, pero la forma del rompimiento depende principalmente del estado de esfuerzos (relación ). La compresión especialmente la multiaxial ayuda a que el material se comporte de manera dúctil.

De acuerdo a la gráfica, para poder predecir si la ruptura del material es dúctil o frágil es necesario el conocimiento del estado de esfuerzos y este comportamiento depende de las condiciones de trabajo.

Analizando los problemas de rompimiento se llega a descubrir cual es el esfuerzo que realmente produce el rompimiento específicamente en las superficies de contacto. Cuando las partes trabajan con variaciones dinámicas importantes o con fluidos intermedios se vuelve más compleja la interpretación.

Refiriéndose al mecanismo de destrucción de la superficie sucede que se crea una micro fisura y ésta se une con otras hasta que sobrepasa el tamaño crítico, en estas condiciones el surco se desarrolla en avalancha de acuerdo a las propiedades del material y las condiciones de esfuerzo. Puede ser que la rima pare por si misma o alcance a romper el grano y hasta la pieza, la fractura frágil la podemos interpretar como la fractura por corte que es el desplazamiento de dos capas internas y cuando este fenómeno sucede en las superficies de contacto se da el fenómeno de abrasión.

Las estructuras cristalinas que son arrancadas en este proceso tienden a mantenerse sobre las propias superficies en movimiento haciendo las veces de una herramienta de corte formando surcos y desprendiendo estructuras cada vez mayores hasta llegar al desgaste catastrófico. La energía consumida en el proceso de arrastre cuando se presenta la abrasión se calcula utilizando la misma teoría y fórmulas que se aplican para el desbaste con herramienta de corte en maquinaria.


DESGASTE TÉRMICO.

Se pueden presentar como consecuencia de cualquier otro tipo de desgaste que ocasiona el aumento de la temperatura de las superficies en contacto cambiado sus propiedades mecánicas principalmente la dureza y elasticidad, pudiendo llegar a que la superficie sea extremadamente plástica y tienda a fluir o en casos extremos hasta cambiar a fase liquida, generalmente esta asociado al desgaste catastrófico.


EFECTO DE REBINDER.

Este efecto se presenta en las superficies lubricadas, con lubricantes polares y estos pueden cambiar las propiedades de la superficie haciendo cambiar la resistencia al desgaste abrasivo. Su efecto es ensanchar las microfisuras debido a las fuerzas de adhesión y tensioactividad del lubricante, actúa como una cuña sobre la fisura y esta relacionada directamente con la energía superficial del lubricante.

Los fluidos tensioactivos, están formados por moléculas bipolares, una parte de la molécula se adhiere a la superficie sólida, especialmente en metales y la otra parte se alinea con su polo opuesto dirigido hacia la molécula adherida a la superficie contigua de la fisura, provocando el ensanchamiento de la misma, este fenómeno tiene gran influencia en la forma y recorrido del desgaste. En piezas con fisuras los aceites polares son perjudiciales ya que propician que falle la pieza, y que las fisuras se vayan haciendo cada vez mayores por la acción de la presión hidráulica que se presenta además de la acción polar descrita.