Desgaste (1)

DESGASTE
FACULTAD DE INGENIERIA - UNIVERSIDAD DE LA REPUBLICA - URUGUAY
INSTITUTO DE ENSAYO DE MATERIALES

INDUSTRIA AZUCARERA

INDUSTRIA PAPELERA

INDUSTRIA QUIMICA

INDUSTRIA AGRICOLA

INDUSTRIA CEMENTOS

INTRODUCCIÓN
El desgaste junto con la corrosión y la fatiga son los tres
principales procesos que limitan la vida útil y el rendimiento de
los componentes de las máquinas.
De ellos, el desgaste, ha sido el menos estudiado, quizá debido
a los complejos fenómenos que involucra y es por esta razón, que
aun no se ha constituido un cuerpo de conocimientos racional
que permita predecirlo con cierto grado de exactitud.
Ha sido ampliamente reconocida, sin embargo, la gran
incidencia negativa que tienen los fenómenos de desgaste en la
industria, con implicancias económicas muy importantes.

La tribología nos permite:
 Ahorro de materias primas.
 Aumento en la vida útil de las herramientas
y la maquinaria
 Ahorro de recursos naturales
 Ahorro de energía
 Protección al medio ambiente
 Ahorro económico

Significado de la tribología en la Industria:
 1/3 de los recursos energéticos existentes se
pierden en forma de fricción
 Las pérdidas por energía disipada por fricción y
por desgaste en EEUU es aprox. el 6% del total
del PBI ($200 billones de dólares por año en 1966)
 Informe Jost (1966,1976): el Reino Unido podría
ahorrar 500 millones de libras al año y EEUU
hasta 16 billones de dólares al año utilizando
mejores prácticas tribológicas.

INTRODUCCIÓN
La situación de nuestro país en los últimos años ha llevado a que se
le de una importancia creciente a la Ingeniería de Mantenimiento e
integridad. En la actualidad es mas adecuado dirigir esfuerzos hacia la
prolongación de la vida útil de los elementos de máquinas, que a la
fabricación intensiva de piezas de reposición.
El desgaste de elementos de máquinas es un problema con el cual
los ingenieros de producción y mantenimiento están acostumbrados a
convivir.
En raras ocasiones se les presenta la inquietud por obtener un
mejor rendimiento de las superficies susceptibles de desgaste (i.e.:
aumento de la vida útil).

Lubricación:
 El propósito de la lubricación es
la separación de dos superficies
con deslizamiento relativo entre
si de forma tal que no se
produzca daños superficiales.
Para conseguir esto se intenta
que exista una película entre
ellas de un lubricante (gaseoso,
liquido o sólido)

Lubricantes:
 Las funciones
básicas de un
lubricante son:
reducción de la
fricción, del
desgaste y
disipación del
calor .
Ejemplo mas
común: aceite
mineral

Que es la fricción o rozamiento?
 Es la resistencia al
movimiento durante el
deslizamiento o
rodamiento que
experimenta un cuerpo
sólido al moverse
tangencialmente sobre
otro con el cual esta en
contacto.
 Respuesta del sistema

¿Qué es el desgaste?

Que es el desgaste?
 El desgaste es el daño de la superficie o la
remoción de material de una o ambas superficies
sólidas en movimiento relativo, ya sea por
deslizamiento, rodamiento o impacto.
 Al igual que la fricción, el desgaste no es una
propiedad del material, es una respuesta del
sistema

Ejemplos de tribosistemas:

Elementos tribológicos comunes:
 Rodamientos
 Embragues
 Sellos
 Frenos
 Anillos de pistones
 Engranajes
 Cepillos
 Levas

Aplicaciones de conocimiento
tribológicos:
 Motores eléctricos y de combustión (componentes y
funcionamiento)
 Forja
 Turbinas
 Procesos de corte (herramientas y fluidos)
 Extrusión
 Elementos de almacenamiento magnéticos
 Rolado
 Prótesis articulares (cuerpo humano)
 Fundición

DESGASTE
Según A.S.T.M.: “Standard Terminology Relating to
WEAR AND EROSION” define DESGASTE como:
el daño producido a una superficie sólida, con
pérdida progresiva de material, debido al
movimiento relativo entre las superficies y una
o varias sustancias de contacto.

DESGASTE
El desgaste se puede definir como deterioro de la superficie debido
al uso.
Se dañarán una o ambas superficies y generalmente se producirá
una pérdida progresiva de material. Por ejemplo un camión de 5
toneladas totalmente desgastado puede pesar entre 2 y 3 kg. menos.
Un aspecto importante para destacar, a diferencia de otros
fenómenos que afectan a las máquinas, es que el comportamiento
frente al desgaste no constituye una propiedad característica de los
materiales, sino que depende de todo un sistema tribológico,
generalmente constituido por dos cuerpos, un lubricante y el
ambiente.
En ocasiones, pequeñas variaciones en velocidad, carga ó
condiciones ambientales, pueden causar cambios drásticos en la
velocidad de desgaste de cualquiera de las dos superficies en contacto.

TIPOS DE DESGASTE
Se pueden clasificar según la cantidad de material perdido
por un elemento en un tribosistema en:
Desgaste suave o ultra suave: el sistema es desgastado
muy poco. Las superficies permanecen lisas y las partículas
tienen dimensiones del orden de micrómetros.
Desgaste severo: las superficies de los cuerpos son
cambiadas y el tamaño de las partículas exceden los 100
micrones.
Desgaste catastrófico: la expectativa de vida de la máquina
se reduce enormemente.

TIPOS DE DESGASTE
Otros autores los clasifican según los mecanismos de desgaste.
Desgaste adhesivo: en cierto momento, la fuerza aplicada en el
contacto es soportada por uniones. Se producen uniones adhesivas.
Si la unión es débil los cuerpos se separaran sin cambio, si es fuerte
se fractura el cuerpo menos resistente.
Desgaste abrasivo: el material es desplazado debido a partículas
duras o protuberancias. Un cuerpo duro deforma plásticamente a
uno mas blando.
Desgaste por fatiga: los esfuerzos y tensiones generadas durante
la fricción pueden crear fracturas. Para materiales dúctiles se
producen delaminaciones (bolas de rodamientos). Para materiales
frágiles la fractura ocurre en zonas de alta tensión tensíl. Las
fracturas son perpendiculares a la superficie.

TIPOS DE DESGASTE
Existen otros mecanismo como:
Desgaste corrosivo: un proceso dominado por una reacción
química o electro química.
Desgaste erosivo: representa una perdida de material de una
superficie sólida debido al contacto con un fluido en movimiento
que contiene partículas sólidas.
Cavitación: cuando la presión local baja rápidamente hasta la
presión de vapor se forman burbujas que explotan erosionando
el material. Ocurre solo en líquidos, no en gases.

CONTACTO DE SUPERFICIES
Si colocamos dos sólidos en contacto, algunas regiones de sus
superficies estarán muy próximas, mientras otras permanecen
alejadas entre sí.

Estas regiones se conocen como “uniones” y la suma de sus
áreas constituye el área real de contacto (Ar).
Ar = S dAr
El área total, formada por Ar y el área de aquellas zonas que
parecen participar de la interacción, pero que en realidad no lo
hacen, es la llamada área aparente de contacto (Aa).

Cuando dos superficies se ponen en contacto este ocurre
en algunos puntos. Estos puntos de contacto se llaman
asperezas y son las que soportan la carga normal es donde
se generan las fuerzas friccionales.

Desgaste
Tipos de desgaste:
 Desgaste por abrasión: se debe a partículas duras y
afiladas que entran en la superficie de rozamiento, o por
picos de rugosidad entre superficies duras.
 Consecuencias: se crean rayas, surcos y cambios
dimensiónales en las piezas.

Desgaste
 Desgaste por adhesión: en ciertos casos (poca
lubricación o trabajo en seco) las piezas se pueden adherir
transfiriéndose material entre las piezas, esto es mas
probable que suceda cuando las piezas son de
composiciones similares o tienen afinidad entre si.
 Consecuencias: soldadura en frío, rayas y rotura del útil.

Desgaste
 Desgaste por fatiga: se debe a tensiones superficiales
continuadas que llevan a la formación de grietas bajo la
superficie y a su propagación bajo la superficie en
tensión o a la deformación de la pieza.
 Consecuencias: grietas transversales y verticales,
dislocaciones y formación de cavidades.

Desgaste
 Reacción triboquímica (triboxidación): el contacto
deslizante tribológico da como resultado una reacción
química. Los productos de la reacción influyen en los
procesos tribológicos en la superficie, por ejemplo las
piezas en rozamiento con tolerancias estrechas pueden
griparse

PROTECCION CONTRA EL DESGASTE
• Tratamientos
térmicos
selectivos
termoquímicos
 Recubrimientos protectores
electrodeposición: cromado, niquelado
metalizado
revestimiento duro

TRATAMIENTOS TERMICOS
Temple y revenido
Normalizado
Austenizado
Se puede logra
materiales duros y
tenaces

TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS
Cementacion: solida, gaseosa, liquida (C)
Cianuración: liquida, gaseosa (C, N)
Nitruración (N)
Siliciado (Atm Cl junto con Si)
Borado (Sales de Bo)
Cromizado (Atm. Inerte junto con Cr)
Cambian la composición química (se adiciona C, N, etc)

CEMENTACIÓN CIANURACIÓN NITRURACIÓN
Adición C C y N N
Tipos sólida gaseosa liquida liquida gaseosa gaseosa
Agente C sólido CO/
hidrocarburo
Baño
cianuro
Baño
cianuro
NH3/portador/
enriquecedor
NH3 gas y
disociado
Temp (ºC) 850-900 750-850 550
Tiempo(h) 4-16 1 – 8 1-6 1 ½ 20- 80
Espesor(mm) 0.9-2.3 0.2-1.5 0.2-3 0.3 0.1-0.6 0.2-0.7
Ventajas
Util para
pequeñas
piezas
Mas limpio Alta conductividad
del baño, menor
tiempo
Disminuye la
velocidad
crítica de
temple
No necesita
temple
Bajas temp.
Desventaja No se templa
directamente
-------- Sales venenosas
Ajuste del baño
---------- Aceros aleados
Costos

Siliciado
 Se adiciona Si al Fe obteniéndose una solución sólida de
Fe-Si
 Se calienta la pieza (920-1010 ºC) en contacto con carburo
de Si y se utiliza Cl como catalizador.
 Se logran espesores de 0.13 a 2.54 mm
 Se aplica en ejes de bombas, eslabones de transportadores
de cadena, etc

Cromizado
 No está restringido a materiales ferrosos
 En el acero forma una capa exterior de acero inoxidable y
si el C es mayor de 0.6 pricipitará carburos aumentando
la resistencia al desgaste
 Se calienta la pieza (900-1090 ºC) en contacto con Cr en
fase gaseosa
 Se logran durezas de 800 a 1000 Vickers
 Se aplica en ejes de bombas, herramientas, troqueles

Borado
 Se aplica a Aceros
 Se calienta la pieza a temperatura de
austenizacion (800-1050 ºC) en contacto
con Sales de Boro
 Se forma una capa de 200 micrones
compuesta de 2 subcapas: FeB
(ortorómbica) y Fe2B (tetragonal
centrada en el cuerpo)
 Se logran durezas mayores de 1500
Vickers

Fuente: Raptorwerkz Inc.

TRATAMIENTOS SELECTIVOS
Endurecimiento por llama
Endurecimiento por inducción
Se calienta selectivamente a la pieza en el
intervalo de austenita y luego se templan y
revienen
No cambian la composición química.
El % de C debe ser mayor a 0.3 %
Se logra espesores de 1/16 a 1/4 pulgadas

TRATAMIENTOS SELECTIVOS
Endurecimiento por
llama
Endurecimiento por
inducción

ELECTRODEPOSICION
Cromado
espesores: 0.0001 a 0.01 pulg
dureza: 1000 Vickers
características: no se suelda con el calor
alta resistencia a la corrosión
Niquelado
espesores: 0.0001 pulg
dureza: 140 420 Vickers
características: mejor deposición en piezas irregulares
más económico

METALIZADO DE POLVOS
Fuente de calor química
Oxiacetilénica
HVOF(alta velocidad de oxi-fuel)
(D-gun) Detonación con pistola
Fuente de calor eléctrica
Plasma
Arco eléctrico
Se utiliza para recuperar piezas gastadas o fuera de tamaño o
cuando se requiere resistencia al desgaste

PISTOLA DE OXIACETILENO
Se rocía el polvo sobre la superficie deseada
Se puede aplicar cubiertas delgadas
Utíl para aplicar aleaciones duras y resistentes a la corrosión
Tienen base Ni o Co, contiene Cr, Bo, Si

PISTOLA DE
PLASMA
El plasma es un gas
ionizado que se
produce al pasar por
un arco eléctrico
Se logran mayores
temperaturas de
trabajo que permite
depositar metales de
mayor punto de fusión
Se debe de tener
cuidadosas medidas
de seguridad

D-gun
HVOF

REVESTIMIENTOS DUROS
Se define el REVESTIMIENTO DUROS (PROTECTOR CONTRA
EL DESGASTE DEPOSITADO POR SOLDADURA) como el
proceso que aplica por soldadura una capa, una esquina o un punto
de una aleación adecuada sobre una pieza metálica para aumentar
su resistencia a las diversas formas de desgaste.
Se puede aplicar a partes nuevas, en servicio o para recuperar
Existen mas de 150 tipos de depósitos
Tienen base Ni, Co o Cr, pueden adicionarse W, Mo
Aplicaciones: agricultura, maquinaria vial, etc

VENTAJAS ECONÓMICAS
Mantener las dimensiones de superficies sometidas a desgaste, sin
pérdida de eficiencia, ni aumento de gasto en potencia.
Prolongar la vida en servicio de una pieza, reduciendo tiempos de
parada y frecuencia de sustituciones.
Reducir costos mediante el empleo de aleaciones específicas que poseen
propiedades que sólo serían alcanzadas con materiales muy costosos.
Mantener menor stock de piezas de repuesto.
REVESTIMIENTOS DUROS

PROCESOS DE SOLDADURA UTILIZADOS PARA
REVESTIMIENTOS PROTECTORES
Entre los procesos utilizados habitualmente para aplicar revestimientos
protectores podemos citar:
La elección del método de aplicación es tan importante como la de la
aleación para el revestimiento.
Las ineficiencias pueden estar disimuladas por resultados aparentemente
satisfactorios, pero que no representan una optimización económica, ni
permiten alcanzar la máxima vida útil de la pieza.
Oxigás (varilla, polvo). Plasma transferido (polvo).
Electrodo revestido. TIG (varilla o alambre).
MIG (alambre sólido/tubular). Arco sumergido.

Factores que intervienen en la selección del proceso adecuado:
Dimensiones y geometría de la pieza a revestir.
Tasa de deposición (kg/hr depositados).
Tipo de material base.
Forma y composición de la aleación a emplear.
Propiedades y exigencias en función de la dilución.
Habilidad requerida del soldador.
Medidas de seguridad requeridas.

PROCESO
+
VARIABLES DE SOLDADURA
MICROESTRUCTURA PROPIEDADES
EJEMPLO Soldadura manual con electrodo revestido:
La elección de diferentes diámetros de electrodo puede implicar variaciones
importantes en la corriente de trabajo y por lo tanto en la energía de soldadura,
modificando la estructura de solidificación y finalmente la distribución de
carburos.
Las recomendaciones habituales de fabricantes basicamente describen
fajas de parámetros dentro de las cuales los consumibles pueden emplearse
con razonable facilidad.
En general no se informa sobre alteraciones en las propiedades finales
debido a cambios en los valores de las variables.

ELECCIÓN DEL SISTEMA
Se entiende por “SISTEMA” la combinación de aleación y proceso de
deposición.
SECUENCIA DE PASOS A SEGUIR
1. Reconocer y comprender el tipo de problema de desgaste presente.
2. Seleccionar el material adecuado de revestimiento, de acuerdo a los factores
anteriormente analizados.
3. Seleccionar el proceso de soldadura más apropiado, considerando los factores
ya mencionados.
4. Evaluar los costos del procedimiento, teniendo en cuenta los siguientes puntos:
1. Precalentamiento.
2. Exceso de material para mecanizar.
3. Cantidad de capas necesarias para eliminar la dilución.
4. Tasa de deposición.
5. Mecanizado posterior, dependiendo de la dureza del depósito.
5. Realizar pruebas para optimizar las condiciones del proceso.
6. Ensayar nuevos materiales y comparar tasas de desgaste inter-laboratorios.

ELECCIÓN DEL SISTEMA

ANÁLISIS DE COSTOS

1. Se debe clasificar el tipo de desgaste
2. Se debe elegir la máquina correspondiente que simule
dicho mecanismo
3. Se debe comparar el desgaste con una probeta testigo
(por ej. fundición blanca)
4. Se debería finalizar el ensayo con una validación a
campo
DISEÑO DE ENSAYOS DE DESGASTE

1. ¿Cuales son las características de las partículas
involucradas en el desgaste abrasivo? ¿Como inciden en la
tasa de desgaste?
2. ¿Como diseñaría un ensayo de desgaste? ¿Qué
tratamientos y recubrimientos conoce para disminuir la
tasa de desgaste de una pieza metálica?
PREGUNTAS

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